港珠澳大桥主体工程桥梁工程特点及设计技术创新(全国桥梁建设技术交流会1021)

李国亮刘明虎2021年10月21日·珠海汇报内容港珠澳大桥总体情况港珠澳大桥的责任和使命应同时满足三地标准——“就高不就低〞原那么公路等级：高速公路设计速度：100km/h行车道数：双向六车道设计使用寿命：120年建筑限界：桥面标准宽度33.1m，净高5.1m设计汽车荷载：按汽车-Ⅰ提高25%用于设计计算。按香港?UnitedKingdomHighwaysAgency’sDepartmentalStandardBD37/01?汽车荷载进行计算复核抗风设计标准：运营阶段设计重现期120年，施工期重现期30年地震设防标准：地震根本烈度为VII度，采用如下的抗震设防标准〔重现期〕：工作状态：120年极限状态：通航孔桥1200年、非通航孔桥600年结构完整性状态：2400年自然建设条件特点和要求近海离岸跨海通道工程气象条件恶劣，台风多，风力大，高温高湿水文条件复杂，水动力条件差，行洪、纳潮、防淤要求严海上航线密集，船多而杂，船行密度大；船撞作用机场航空限高影响环保要求高且穿越白海豚保护区地震设防水准高地质条件变化大

重要管线穿越桥区大桥设计思想和理念是依据大桥建设条件和大桥建设目标和需求提出来的，也效劳于大桥建设条件和建设需求。提出了设计思想，也是大桥的建设理念，即“大型化、工厂化、标准化、装配化〞。全面践行全寿命设计理念。建设理念和总体方针海中桥梁勘察设计标段划分情况江海直达船航道桥青州航道桥深水区非通航孔桥主体工程——桥梁工程九洲航道桥浅水区非通航孔桥港珠澳大桥主体工程桥梁工程港珠澳大桥工程特点二、青州航道桥青州航道桥设计桥跨布置桥跨布置：110+236+458+236+110=1150m主梁采用扁平流线形的整体式正交异性桥面板钢箱梁索塔采用横向H形框架，索塔高度与主跨之比=0.246标准索距15m；斜拉索采用扇形式布置，空间双索面，在两侧锚固青州航道桥设计钢箱梁横断面及构造钢箱梁为扁平流线形整体单箱三室箱室断面；梁高4.5m，不计检修道风嘴顶面33.8m，全宽41.8m除边跨跨中70m范围内顶板、底板、斜底板及其加劲采用Q420qD材质外，其余均为Q345qD青州航道桥设计钢箱梁横断面及构造横隔板间距7.5m，中间包含2道横肋板，横肋板间距2.5m斜拉索锚固采用钢锚箱结构箱外设置检查车，箱内设置2台顺桥向全自动小车，各部设置有人孔通道，能实现钢箱梁所有部位的“可达、可检、可维修〞青州航道桥设计横隔板横肋板斜拉索布置及构造全桥共112根斜拉索7种型号，PES7-121～PES7-475抗拉强度1860MPa，疲劳应力幅为200MPa、250MPa单根最长约249米，单根最大重量约约为37.5吨青州航道桥设计青州航道桥设计索塔采用H桥塔，塔身高163m；其中上塔柱高56.35m，中塔柱高66.65m，下塔柱高40m塔柱为钢筋混凝土构件，下横梁为全预应力混凝土构件，上横梁采用钢结构“中国结〞造型塔上锚固为钢锚箱方案，采用耐候钢塔柱及下横梁采用现浇施工结形撑采用中国结造型,高50.15m。由上至下分为T1、J1、J2、J3、T2五种节段。其中，T1、T2分别为塔柱与结形撑之间的上、下连接段。采用钢结构箱型横断面，宽度〔顺〕为4m，高度渐变为2.60m～4.20m。横断面带有矩形内凹倒角，尺寸为0.5m×0.5m。结形撑采用带切角的矩形断面，钢结构，采用Q345qD。分节段制造安装，节段间栓接、焊接组合形式。最大吊重约249t。总用钢量约1570t青州航道桥设计结形撑索塔承台及根底索塔承台平面呈哑铃形，由2个别离的D36.5m的圆形承台通过系梁连接而成。整个承台平面轮廓尺寸横桥向为83.75m、纵桥向为36.5m，系梁宽15m。承台厚度方向可分为两级，一级承台厚度为5m，二级承台厚度为4m。承台采用有底钢套箱施工，封底混凝土厚度为2m。青州航道桥设计钢管复合桩根底每个承台下采用38根D2.5m/D2.15m钢管复合桩，梅花形布置，按支承桩设计左、右承台设计成不等桩长，桩底嵌入中风化岩深度不小于1.5D；桩长约为103～137m钢管内径2450mm，钢管壁厚分2类：上部壁厚25mm，下部约2m范围壁厚36mm桩身配置普通钢筋青州航道桥设计辅助墩、过渡墩墩身及根底墩身采用预制节段拼装矩形空心墩身，与非通航孔桥墩形一致辅助墩、过渡墩墩身高度分别为37.6m、35.4m，其中0.5m伸入承台墩身截面外侧尺寸为15m〔横〕×5.5m〔顺墩身单节最大吊重约2533t承台平面呈八边形，横桥向为39.5m、纵桥向为27.4m；厚度方向分为两级，一级厚度为3.5m，二级厚度为2.m桩基采用20根2.5～2.15m变截面钢管复合桩青州航道桥设计斜拉索两端锚固青州航道桥设计索塔钢锚箱最大吊重12.4t索塔施工流程塔柱采用爬模节段现浇施工，下横梁采用搭设支架现浇施工。塔柱间设置临时支撑；钢结形撑采用分节段工厂制造、现场吊装施工。青州航道桥设计上部结构施工流程无索区边跨采用大节段整体吊装，其余局部采用小节段桥面吊机悬臂拼装法施工。类似规模及结构的桥梁施工在国内具有丰富经验，施工方法均为成熟工艺。本桥取消塔旁支架和施工期间的临时墩，代之以临时抗风索。最大双悬臂长度195m最大单悬臂长度225.2m青州航道桥设计江海直达船航道桥设计桥跨布置江海直达船航道桥设计①桥型：三塔斜拉桥——中央单索面、钢箱梁、钢塔②桥跨布置：六跨——110+129+258+258+129+110=994m

索塔江海直达船航道桥设计①索塔造型：海豚、风帆形；②塔身形式：全钢结构-Q345qD；高约109m，塔底尺寸9m×9m

江海直达船航道桥设计主塔柱副塔柱联系杆江海直达船航道桥设计主塔柱断面副塔柱断面联系杆断面三角撑断面热轧H型钢各部件断面

江海直达船航道桥设计塔底锚固构造74根Φ130mm螺杆/每个塔螺杆九洲航道桥设计桥跨布置为：〔85+127.5+268+127.5+85)m=693m通航净空：210m×40m九洲航道桥总体布置图85127.5127.585268693通航净空210×40m九洲航道桥设计主梁标准断面隔板断面主梁采用双开口钢箱结合混凝土桥面板的整幅断面形式，两片主梁间通过箱形断面的大横梁连接。钢箱梁：顶宽12.80m

底宽11.52m

梁高4.485m

标准节段长12.5m

材质Q345qD横隔系统：箱型横梁间距12.5m横隔板间距4.25m

框架式横肋板4.25m加劲肋：板式加劲肋剪力钉：圆头焊钉，集束式布置桥面板：厚0.26m，支点处0.5m

悬臂长度3.50m箱形横梁：高3.94~3.96m

宽4.0m九洲航道桥设计主塔钢塔柱混凝土塔柱为防止浪溅区水位变动对钢塔柱的腐蚀，底节采用混凝土结构。九洲航道桥设计九洲航道桥设计塔梁固结区，主塔顺桥向壁板同时作为主梁腹板，与两侧腹板对齐。主塔横桥向壁板同时作为主梁隔板，与主梁箱内隔板对齐。塔梁固结构造示意主塔施工时，主梁0#段和固结区塔柱作为一个吊装节段，先行安装。待主塔施工完成后，再在0#段主梁两端拼装其余主梁节段。塔梁固结区九洲航道桥设计深水区非通航孔桥(1)桥跨布置接岛桥结合部非通航孔桥采用5×110m=660m五跨连续梁桥。接江海直达船航道桥采用5×110m＝550m五跨变宽连续梁桥。接浅水区非通航孔桥采用4×110m四跨连续梁桥。其余采用6×110m＝660m六跨连续梁桥。(2)结构体系采用减隔震支座作为约束体系的钢箱连续梁桥。深水区非通航孔桥等宽段标准横断面等宽段钢箱梁梁宽33.1m，底板宽15m。钢箱梁梁高4.5m，梁高与跨径比值为1/24.4。采用大悬臂单箱双室结构，悬臂长度5.675m，根部高度1.45m，端部高度0.5m。钢箱梁内部横隔板标准间距10m，横隔板之间设三道横肋，横肋间距2.5m。(3)上部结构——构造设计深水区非通航孔桥变宽段整箱变宽横断面变宽段别离箱变宽横断面变宽段钢箱梁通过四跨〔440m〕梁宽由33.1m变化为38.8m〔三次抛物线〕，采用整箱变宽+别离线变宽的结构形式。钢箱梁梁高4.5m，梁高与跨径比值为1/24.4。(3)上部结构——构造设计深水区非通航孔桥为减少现场焊接工作量，加快施工进度，主梁架设采用大节段整孔逐跨吊装方案。最大控制吊装重量为：2750吨。(3)上部结构——施工方案深水区非通航孔桥立面平面低墩区根底每个承台设6根钢管复合桩，横向三排，桩径2m。承台为六边形，边缘顺桥向宽为10.3m，中心顺桥向宽11.1m，横桥向长14.8m，高4.5m。高墩区及变宽段根底设6根钢管复合桩，横向三排，桩径2.2m。承台为六边形，边缘顺桥向宽为11.2m，中心顺桥向宽12m，横桥向长16m，高5m。下节段墩身及承台整体最大吊装重量2850吨。承台复合桩连接件(4)下部结构——构造设计深水区非通航孔桥支座支座具有常规使用和减隔震功能，同时还具备在罕遇地震作用下防落梁功能；支座设计寿命为60年。等宽段高墩区采用高阻尼支座，等宽低墩区采用铅芯橡胶支座及双曲面球型减隔震支座，变宽段采用双曲面球形减隔震支座。进行分区段设计。调频质量阻尼器(TMD)为了抑制钢箱梁涡激共振，在每联的次边跨跨中均布置4个TMD，每联共8个。TMD的阻尼比在为10%左右，安装TMD后，主梁结构的等效阻尼比大于1.0%。伸缩缝采用多向变位梳形板桥梁伸缩装置，分为480型、560型、720型三种型号。(5)附属结构深水区非通航孔桥浅水区非通航孔桥总体布置

85m连续组合梁分幅方案，5～6孔一联，全长5.44km。桥面总宽33.1m，两幅主梁中心距16.8m，桥梁中心线处梁缝宽0.5m，单幅桥面宽16.30m，桥面横坡2.5％。浅水区非通航孔桥横断面布置浅水区非通航孔桥梁高：4.3m梁宽：16.30m悬臂：3.50m钢主梁：顶宽9.30m

底宽6.70m

设一道纵梁横隔系统：桁架式横隔板和框架式横肋板交替布置，间距2.0m浅水区非通航孔桥混凝土桥面板采用C60高性能混凝土，宽16.3m，横桥向跨中局部厚26cm，钢梁腹板顶处厚50cm，悬臂板端部厚22cm，其间均以梗胁过渡。桥面板横桥向整体化、纵桥向分块预制，在钢梁腹板顶间断开孔。桥面板分块示意图浅水区非通航孔桥桥面板—横向采用局部预应力体系，5-Φs15.2，间距50cm。墩顶负弯矩区适当布置纵向预应力钢绞线，7-Φs15.2。—控裂设计a)均布式b〕集束式剪力钉：集束式钉群布置直径22mm

高250mm

纵向间距126mm

横向间距125mm

钉群间距1000mm钢筋混凝土构件，局部采用高配筋率防腐蚀钢筋施加适量预应力，改善受力性能，提高平安储藏混凝土外掺剂浅水区非通航孔桥工程建设目标的需要社会开展的需要行业开展的需要地标性桥梁建筑设计工程总体景观设计理念地标性桥梁建筑设计景观文化内涵桥梁元素特征视点分析〔1〕中西合璧的地域文化〔2〕粤港文化融合〔3〕古今文化交融地标性桥梁建筑设计地标性的景观设计地标性的景观设计地标性的景观设计地标性桥梁建筑设计地标性桥梁建筑设计地标性桥梁建筑设计为将阻水比控制在10%以内，根底需埋置在海床以下。由于全线地质条件复杂，大局部区域覆盖层较厚，预制沉箱或沉井方案对不同地质的适应性差，而且下沉较深、规模大、造价高，因此桥梁工程根底采用桩根底方案。在广泛吸收国内外跨海桥梁根底建设的有益经验的根底上，通过对打入桩、钻孔灌注桩和钢管复合桩综合比选，最终确定采用钢管复合桩。钢管与钢筋混凝土共同组成桩根底结构主体。整个桩身由两局部组成：有钢管段、无钢管段。有钢管段的长度根据地质条件、结构受力和刚度、沉桩能力、施工期承载等综合确定。复合桩钢管内径2450/2150/1950mm，桩尖约2m范围壁厚为36mm，其余壁厚为25mm。在顶部一定区段钢管内壁设置多道剪力环。复合桩混凝土强度等级采用水下C35，桩身根据受力配置钢筋。全桥约1500根桩方案的选择

大直径复合桩研究与应用钢管制造

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用钢管制造钢管制造

大直径复合桩研究与应用根底施工

大直径复合桩研究与应用大直径钢管复合桩优点承载力高延性好可靠性好便于施工风险可控费用相对经济“钢管+核心混凝土〞桩以复合体形式表现出良好的共同工作性能，使得在深海桩基工程中具有极大的开展前景

大直径复合桩研究与应用目前国内外对于钢管复合桩复合结构的受力机理、协同工作性能以及设计计算理论还不完善，缺乏系统理论研究。工程上常常只是把钢管作为钻孔桩的临时护筒，设计时未将钢管与核心混凝土作为复合体加以共同考虑。计算理论和设计方法的研究大大落后于工程应用。一方面，实际工程中经常出现因桩基沉降过大等引起的工程事故，另一方面也暴露出桩基设计中存在着保守的趋势和现象。鉴于此，对钢管复合桩的变形分析、承载力计算理论以及桩的合理构造形式等方面开展了系统的理论分析和试验研究，在充分了解其承载特性和受力机理的根底上，获取了大直径钢管复合桩的各项设计参数，提出了钢管复合桩竖向和水平承载能力计算方法，并将研究成果应用于设计。研究背景

大直径复合桩研究与应用在现场调查和测试试验根底上，针对钢管复合桩的管内剪力环加固，泥皮、防腐层削弱等效应，通过钢管复合桩压剪弯和推出试验，首次开展了在压-弯-剪复杂荷载作用下14根、16次的有/无钢管、有/无剪力环、有/无泥皮、有/无防腐涂层不同组合的钢管复合桩承载能力和变形特性的系统试验。在此根底上，采用极限平衡理论和全过程分析法，研究了有/无钢管、有/无剪力环、有/无泥皮、有/无防腐涂层的钢管复合桩在弹性状态、弹塑性阶段、极限状态下的组合强度、换算刚度、联结性能等重要指标和相关参数，揭示在多工况下钢管复合桩的承载能力和变形特征的开展变化规律。研究内容

大直径复合桩研究与应用研究意义

大直径复合桩研究与应用近年来美国、日本、新西兰和加拿大等国家对采用钢管混凝土结构制作桩基进行了大量的研究。日本已采用离心法工艺生产空心钢管复合桩加拿大学者对钢管复合桩在海洋环境中的防腐蚀性能进行了试验研究。认为在钢管中灌注聚合物混凝土具有可靠的应用价值，研究结果说明，钢管复合桩中钢管的锈蚀程度以及可见缺陷，均处于容许限度之内。钢管复合桩在国外已成功应用在一些重要工程中：旧金山第二Benicia-Martinez大桥、孟加拉国Jamuna河大桥、日本喜入油田终端海港、Kosan大桥、多多罗大桥、本四3线生口桥、东神户大桥、韩国西海大桥。国外研究现状

大直径复合桩研究与应用近些年来，随着水下高性能混凝土配方与工艺的开发和工程机械的开展，大大地促进了钢管复合桩在深水工程中的推广应用。国内研究现状

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用

大直径复合桩研究与应用缺乏与建议未形成桩基作为钢管混凝土构件的承载能力计算的直接计算公式关于尺度对复合构件的套箍效应的影响尚缺乏系统研究成果应用尚需工程长期运营实践检验

大直径复合桩研究与应用预制承台及首节墩身的构造设计非通航孔桥钢管底没有进入全风化层时，钢管复合桩竖向倾斜不大于1/400；假设钢管底进入全风化时，钢管复合桩竖向倾斜不大于1/320；钢管复合桩中心平面位置允许绝对误差小于150mm，各桩之间允许相对误差小于50mm。采用整体式导向架、液压振动锤同时振沉，确保其精度。根据埋置式预制承台的模型试验成果，可以到达以上精度的要求。钢管复合桩精度控制预制承台与钢管复合桩连接施工流程〔一〕步骤一：钢管插打完毕后采用三维激光扫描系统测量桩顶平面坐标和倾斜度参数，根据测量数据调整承台中心与墩身中心及倾斜度等几何关系，采用调整后的几何参数在复合桩施工期间进行承台墩身预制，同时制作钢套箱、悬挂系统及吊具等；步骤二~四：承台及墩身预制完毕后，分块安装钢套箱、支撑系统、悬挂系统及吊具。施工方案及工艺设计预制承台与钢管复合桩连接施工流程〔二〕步骤五~六：吊装预制承台，将悬挂系统搁置在4根钢管复合桩桩帽上；利用桩帽顶部调位装置调整承台及墩身的平面位置及垂直度；步骤八：利用胶囊止水〔胶囊的止水能力应不小于16m水深〕，抽水后灌注速凝砂浆，焊接承台与钢管复合桩连接件；步骤九~十：浇注轴线处两个预留孔混凝土；撤除悬挂系统完成体系转换，浇注其余四个预留孔混凝土；步骤十一：钢套箱内部充水，撤除钢套箱，完成预制承台与钢管复合桩的连接。施工方案及工艺设计首节墩台吊具总体结构构造设计步骤一：下节段墩身承台与钢管复合桩连接施工；步骤二：浮吊起吊中节段墩身，搁置于临时垫块上，连接预应力粗钢筋和塑钢复合波纹管，接缝面喷涂环氧树脂，取走垫块下落墩身，张拉连接预应力粗钢筋；步骤三：安装上节段墩身；步骤四：28天后，补张预应力粗钢筋至设计值；步骤五：实施真空辅助压浆，浇注封锚混凝土。大直径高强螺纹钢筋性能及研发高强螺纹钢筋的两种型式：精轧、滚压型式1、精轧螺纹钢筋大直径高强螺纹钢筋性能及研发

目前国内精轧螺纹钢筋最大直径为

50，国外DSI精轧螺纹钢筋最大直径为

75。

钢筋外形为热轧无纵肋不连续螺纹

2、滚压螺纹钢筋

目前国外freyssinet采用滚压螺纹钢筋，直径系列较多，可按工程需要选用。

钢筋外形为滚压连续全螺纹国内成功开发了屈服强度达835MPa以上级别的Φ７５直径高强螺纹钢筋锚固体系，其主要性能指标均优于国内同类产品，到达国外同类产品要求。高强螺纹钢筋采取滚压方式高强螺纹钢筋生产工艺过程：校直圆整表面滚压调质校直表面防腐检验抽样超张拉主要力学性能：屈服强度≥835MPa，抗拉强度≥1035MPa公称截面积：4418mm2抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）备注１０３５８８０≥4／7Φ65

(A722/A722M-07预应力用高强钢筋）１０８０９３０≥５Φ４０(ＪＩＳＧ３１０９－２００８ＰＣ钢棒)１０３５８３５／８５５Φ７５（ＤＩＳ）1030830≥6Φ5０（GB/T20065-2006预应力混凝土用螺纹钢筋）国内外现有预应力用高强螺纹钢筋性能比照表高强螺纹钢筋锚固及连接设计永久防护－－电隔离防护＋真空灌浆电隔离防护体系：

通过保持高强螺纹钢筋锚固体系与墩身的绝缘防护电阻，可以满足锚固体系的高寿命要求。根据?BSEN1537：2000?要求，永久防护的绝缘电阻值为：R≥0.1MΩ正交异形板：桥面板+纵肋+横肋疲劳破坏：在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象世界范围内多发在细节研究及疲劳验算的根底上，确定了钢桥面板的细部构造：小试件疲劳试验验证四个疲劳细节横隔板上在U肋附近开槽处U肋对接〔焊接与栓接〕顶板与U肋焊缝横隔板与U肋焊缝横隔板上在U肋附近开槽试件，U肋对接〔焊接与栓接〕试件，顶板与U肋焊缝试件的疲劳加载试验结果说明，这些试件没有发生疲劳破坏。据此可以判定，在正常的交通荷载作用下并确保合理养护时，港珠澳大桥以上试件对应疲劳细节能满足抗疲劳性能要求，即在当前预计的交通流量条件下在设计寿命120年内不会发生疲劳破坏。横隔板开槽U肋对接〔焊接与栓接〕顶板与U肋焊缝开展大试件疲劳试验，进一步直接验证疲劳性能吊重约3000t吊高约90m1860MPa斜拉索研发与应用1860MPa斜拉索研发与应用1860MPa斜拉索研发与应用1860MPa斜拉索研发与应用国内已研发成功1860MPa斜拉索研发与应用盘条：宝钢B90SiQL钢丝制作锌-铝镀层生产线长寿命改进：PE、锚具渗锌防腐、锚口弯曲限值装置、防水措施…7－511已完成试生产。国内最大规格已达7－649静、动载试验，水密性试验等重建轻养→建养并重；港珠澳大桥的维养尤为重要；从设计阶段开始就应为维养创造良好条件。“以人为本〞的设计理念钢箱梁索塔索塔青州航道桥江海直达船航道桥斜拉索斜拉索爬索机器人斜拉索检修爬车桥墩斜拉索爬索机器人斜拉索检修爬车总体保证策略设计合理的结构，受力不合理的结构必然不耐久采用有利于寿命的高性能材料选择先进、能确保工程质量、提升工程品质的施工方法，具体而言就是“四化〞。采用“四化〞施工方法对工程品质而言是一个重大的保证。工程品质、工程质量都好必然会有很好的耐久性。采用提升或者保障耐久性的防护措施注重并改善利于耐久性的细节构造设计加强运营期管养、维护维修、更换等的考虑并制定有效措施构件类别及寿命保障策略①在设计寿命内不可更换，也不能进行养护、维修，需采取措施保证120年设计寿命，如钢管复合桩等；②在设计寿命内不可更换，可通过检修、养护提高其寿命，如墩、梁、塔等；③在设计寿命内可更换，如斜拉索、支座、伸缩装置等，设计中考虑构件寿命，在120年内进行更换，并预留更换工作条件。针对不同构件，需分别考虑耐久性措施和运营期维护措施等保证120年设计寿命。混凝土结构耐久性设计明确构件设计使用寿命根本措施：桥梁上、下部结构采用“大型化、工厂化、标准化、装配化〞原那么指导下的全预制装配方案，把“建造〞变为“制造〞，以确保施工质量、精度及耐久性海工高性能混凝土原材料要求。以提高混凝土本身品质为根本出发点，确保混凝土结构耐久性要求。混凝土最大水胶比及胶凝材料用量最低强度等级氯离子扩散系数钢筋保护层厚度裂缝宽度限制混凝土结构耐久性设计钢结构耐久性设计①设置全自动、人性化的可达、可检、可修、可强设施对可检性、可修性、可换性、可控性、可持续性的考虑②可更换性设计考虑：如采用易于更换的斜拉索锚固方案，可实现运营期拉索的更换施工；考虑支座更换的空间及作业构造；采用便于养护维修的性能优良且在不中断交通下可更换的伸缩缝。③可控性设计考虑：承台防撞钢套箱；阻尼器和气动措施的拉索综合减振措施；近塔区桥面风障；抗震阻尼器和减隔振支座等控制措施。④可持续性设计考虑：采用长寿命的索塔、钢箱梁、拉索、钢管复合桩、钢支座等构件和防护涂层，大大减少了运营期维修和更换的