1 工程概况
港珠澳大桥主体工程由东、西人工岛、海底沉管隧道及桥梁工程组成，总长约29.9km。其中，桥梁工程长约22.5km，由青州航道桥、江海直达船航道桥、九洲航道桥、深水区非通航孔桥、浅水区非通航孔桥及珠澳口岸连接桥等组成，里程桩号为K13+413—K35+890。按里程桩号划分，桥梁工程共分三个土建施工标（CB03、CB04及CB05）和两个钢结构制造标（CB01与CB02，对应CB03和CB04标），其中浅水区CB05标含土建与钢结构制造。桥区建设条件复杂，航线多船行密度大，需穿越环境敏感区，环保要求高；水域涌浪大、大风多、台风频；岩面起伏大，地质条件较差；需越崖13-1气田管线；海洋环境腐蚀强，耐久性要求高。
深水区非通航桥上部结构均采用110m跨整幅大悬臂等截面连续钢箱梁体系，标准联为六跨一联，CB03标共计68跨，CB04标共56跨。钢箱梁标准梁宽33.1m，高4.5m，钢箱梁标准横断面见图1-1。大节段箱梁净重约1600～2600t。
图1-1 钢箱梁标准横断面图（单位：mm）
2 设计标准与原则
2.1 主要设计标准
港珠澳大桥主体工程按时速100km/h、双向六车道高速公路标准设计，设计使用寿命为120年，汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）汽车荷载提高25%用于设计计算，并按香港《United Kingdom Highways Agency’s Departmental Standard BD 37/01[d1] 》（英国公路局部门标准BD37/01）汽车荷载进行复核；其抗风设计标准：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：地震基本烈度为 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：非通航孔桥600年
结构完整性状态：2400年
3 钢箱梁设计与施工关键技术
3.1 钢箱梁设计
港珠澳大桥深水区非通航孔桥首次在国内采用了大悬臂单箱双室箱梁结构，为了应对目前业界普遍担心的正交异性桥面板焊缝疲劳问题及钢桥面铺装问题。在设计上，采取了诸多强化技术措施。一是板材厚度强化设计，尤其是顶板进行加厚设计，较崇启大桥的16mm-22mm增至18mm-24mm；二是构造上强化，采用了4.5m梁高，高跨比达1/24.4；采用与南京四桥和鄂东长江大桥相同形式的U肋构造，顶板U肋高度由以往的280mm增加为300mm，下口宽度由170mm增至180mm；箱梁横隔板间距10m ,两道横隔板之间增设三道横肋板，其间距为2.5m（以往钢箱梁采用3. 5m间距；现场及工厂箱梁节段连接均采用以焊接为主的栓焊组合方式，除顶板U肋、板肋采用栓接外，其余均为焊接连接。
图3-1-1 U肋断面图
下表为针对U肋及桥面板刚度计算对比分析。从中可知，港珠澳大桥正交异性钢桥面板刚度较以往钢箱梁桥梁有了较大提高。
表3-1-1 U肋主要尺寸对比
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港珠澳大桥
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国内其他钢桥
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顶板最小厚度
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18 mm
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14～16 mm
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顶板U形加劲肋高度
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300 mm
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280 mm
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横隔板间距
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设置了横肋板，间距2.5 m
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3.5 m左右
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表3-1-2 桥面板刚度计算对比
顶板厚度(mm)
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18
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16
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14
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12
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要求
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肋间相对挠度(mm)
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0.15
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0.18
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0.21
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0.24
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≤0.4
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肋间曲率半径(m)
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38
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32
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27
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24
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≥20
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为了确保箱梁制作质量，设计单位在国内首次对钢箱梁各部件焊缝接头型式、坡口要求及焊接方法、适用位置等在施工图设计文件中进行了具体明确和规定。此做法从具体实施情况看，尚值得商榷。从设计角度，钢结构焊接质量似乎得到保障，却也给制造单位带来了较多制约，一定程度上限制了制造单位的技术应用空间。
其次，深水区非通连续钢箱梁采用了较钝的气动外形，通过1:50 主梁节段模型、1:20 主梁节段模型，以及1:70 全桥气弹模型试验，显示主梁在不同风速发生竖向涡激共振结果基本一致，主要集中在27m/s 风速以后，在35m/s 左右、风攻角为+3°时出现第一个竖向涡激共振区振幅的最大值，最大超过100mm。根据《公路桥梁抗风设计规范》，成桥状态一阶对称竖弯共振的振幅容许值为50mm。由此，势必影响桥面行车舒适性和钢结构的疲劳性能。为此，借助风洞试验，对气动制振措施与机械制振措施的综合比较，认为两种措施在技术上均可行。如采用桥面两侧增设导流板措施虽具有构造相对简单、初期总投资较小的特点，但其适应频带宽度范围窄、频率不具可调性，且对桥梁景观具有一定的影响；考虑调谐质量阻尼器TMD[d2] 技术本身在国外已应用成熟，且具有参数可调性、便于维护等优点，并兼顾工程进展实际情况，最终采用在箱梁内部设置质量比约0.4%的调谐质量阻尼器TMD以增加结构阻尼比的机械措施。经计算分析，当安装TMD后结构的等效阻尼比超过1.0%，涡激振动基本消失。
图3-1-2 圆弧形导流板抑振措施
图3-1-3 悬挂式TMD装置（已用于崇启大桥）
图3-1-4 支撑式TMD装置（已用于俄罗斯伏尔加河大桥）
3.2 钢箱梁加工与制造
为了保障用钢量高达42.5万吨的钢箱梁加工与制造质量，提升我国桥梁钢结构制造水平，在板单元制造、钢箱梁拼装及钢塔制造、涂装等方面，采用了诸多新设备、新工艺及新技术。
其中，在板单元制造方面，采用了如下新技术和工艺，实现了工厂自动化生产。
l 全部采用数控切割机下料、同时自动划线和打号技术；
l 钢板边缘和坡口加工，通过专用数控设备，以高精密的数控铣削工艺替代了传统的人工手动控制的刨削工艺；
l 坡口加工过程中以高速铣削替代了滚剪或者刨削，坡口面的粗糙度达到Ra12.5，钝边尺寸偏差控制在±0.5mm以内，坡口角度偏差控制在±0.5°以内，为确保U形肋与桥面板的组装精度及根部焊接熔合质量奠定了基础。
l 自动装配定位焊接替代传统定位手工焊接；
l U肋板单元和横隔板机器人焊接替代传统U肋板单元和横隔板手工焊接；采用机械校正自动化设备替代传统人工火焰校正；
l U肋角焊缝首次采用先进的相控阵超声波检测技术。
钢结构节段制造在厂房内采用多节段连续匹配组焊和预拼装一次完成工艺。节段涂装在涂装房内进行，涂装房内配置通风除尘、除湿加热防爆照明等专用设备，保证环境符合涂装工艺要求。对于钢梁大节段拼接、钢塔节段制造与拼装也在厂房内采用长线法进行组拼。实现了“车间化”钢结构总拼作业；并采用无马装配总拼装工艺，首次将数字化焊接机器人、无盲区焊接小车应用于钢结构总拼制造；采用群控焊接数据管理系统等技术实施网络化管理。建立了配备与产能配套的现代化打砂涂装车间，配备经济、合理、舒适的通风除尘、漆雾处理系统，实现了全天候喷涂作业[d3] 。
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图3-2-2 港珠澳大桥U肋板单元机器人焊接 图3-2-3 良好的U肋焊接焊缝外观质量
图3-2-4 单元生产车间布局 图3-2-5 板单元存放
图3-2-6 U肋角焊缝相控阵超声波检测 图3-2-7 港珠澳大桥节段总拼车间
图3-2-8 港珠澳大桥打砂涂装车间 图3-2-9 港珠澳大桥打砂涂装除尘系统
3.3 箱梁架设与安装施工
深水区CB03标和CB04标钢箱梁架设均采用大型浮吊进行逐跨整体吊装安装施工。其中，CB03标梁除跨崖气田管线桥2个边跨大节段箱需采用“一航津泰”4000t浮吊和“东海工7号”2600t浮吊抬吊，其余大部分大节段箱梁均采用4000t浮吊单独整体吊装。
图3-3-1 “一航津泰”4000t浮吊 图3-3-2“东海工7号2600t浮吊
图3-3-3 CB03标已架钢箱梁 图3-3-4 跨崖气田管线桥边跨大节段采用双浮吊抬吊示意图[d4]
大节段钢箱梁起吊作业需面对如下挑战：
（1）吊装梁段数量多、重量大、长度长，单浮吊起吊最大重量2800t（含临时荷载），最大长度达132.6m，双抬吊最大梁段重达3200t（含临时荷载），长度达152.6m；海上起吊高度高，最大达45.3m；
（2）海上作业受天气海况影响大，安装风险大，对浮吊起吊能力要求高；临时吊点多，吊具需保证梁段安装线形与局部应力满足设计要求。为此，采用钢桁架式吊具，与钢箱梁间采用串联滑轮连接，保证吊点受力均匀，不需对某一吊点单独调节；
（3）钢箱梁重心与结构中心不重合，且安装线形存在纵坡与平曲线，最大坡度2.0%，位于跨崖气田管线桥及其左侧梁段以及青州航道桥边跨大节段右侧梁段，吊装过程中需精确的调整钢箱梁的空间姿态，起吊难度大。为此，采用配重块粗调，浮吊吊钩微调。配重块采用素砼块，单个重量为5t，尺寸为1.43m*1.2m*1.2m。
图3-3-5 132.6m长梁段调整2%纵坡示意图 图3-3-6 配重块布置示意图[d5]
（4）相邻梁段接缝距离前一墩中心线23m，中跨及尾跨安装梁段利用梁端牛腿临时挂设于前一梁段悬臂端，吊装风险大，对浮吊性能及现场组织均提出了较高要求。
为此，中间跨钢箱梁安装一端跨越墩顶（中间墩），另一端通过牛腿与已安装钢箱梁临时搭接。牛腿调位装置布置于钢箱梁顶面，横桥向布置，单片梁调位需布置3套。一套完整的牛腿调位装置主要由以下几部分组成：牛腿头部调位支座、头部滑移支座、牛腿本体、牛腿连接耳板、牛腿尾部支座等。单套牛腿调位支座包含300吨千斤顶2台，位于牛腿调位支座两侧，60吨千斤顶4台。
图3-3-7 牛腿调位装置千斤顶布置图
图3-3-8 牛腿架设位置图
图3-3-9 牛腿调位原理示意图
同时，为确保高箱梁调位精度在墩顶设置了三向可调节千斤顶系统。过渡墩上布置2台1000吨竖向千斤顶，分布于2个调位装置外侧，单个调位装置内布置100吨千斤顶2台（其中1台为横桥向，1台顺桥向）。中间墩上布置4台1000吨竖向千斤顶，分布于调节座外侧；单个调位支座（共计2个）内布置2台100吨千斤顶（横桥向）和1台200吨的千斤顶（顺桥向）。
图3-3-10 过渡墩墩顶调位装置布置示意图 图3-3-11中间墩墩顶平台调位装置布置[d6]
基于上述特点，箱梁安装架设采用了逐跨架设、逐跨调位与焊接模式。值得一提的是，为了确保港珠澳大桥非通航孔桥在施工过程中结构受力和变形始终处于安全范围之内，且成桥后主梁线形符合设计要求，结构恒载受力状态接近设计期望，采用全过程几何控制法进行施工监控。
对于CB04标钢箱梁的安装方案，其技术思路与安装工艺同CB03基本一致。所不同的是，采用的浮吊设备不同。对于其110m钢箱梁标准段及尾跨箱梁的吊装，均采用“长大海升” 3200吨起重船吊装；而对于每联首跨132.6m大节段，由于其节段自重达到2913吨，加上吊具等设备，吊装总重量达到3700吨，需借助“正力2200”起重船与“长大海升”起重船一起抬吊。
图3-3-14 CB04标首片钢箱梁抬吊施工
3.4 钢箱梁与组合梁造价比较
为便于110 m钢箱梁与85m组合梁的经济技术比较，根据深水区与浅水区桥梁工程概算造价指标统计结果，如表3-4-1、表3-4-2所列。
由上表分析可知，就综合单价而言，110m钢箱梁与85m组合梁之比约1.1；从每平米造价而言，110m钢箱梁与85m组合梁之比约1.2。
由上对比可知，与钢箱梁相比，组合梁经济指标比钢箱梁具有一定优势。如考虑施工安装及质量控制等方面，则组合梁不具优势。由于组合梁受吊装重量限制，横断面需按双幅结构设计，增加组合梁制造、组合及施工安装的工程量。同时，工程实践表明，对于标准联组合梁的施工安装，较之标准联钢箱梁要复杂的多。一是，组合梁结构复杂，特别是其桥面板与槽型钢梁建的剪力钉群刚度无法准确模拟，施工监控难度相对大。二是组合梁体系转换施工工序多、耗时长，港珠澳大桥标准联组合梁比标准联钢箱梁施工周期至少要多三个月。三是，组合梁负弯矩区桥面板需在现场现浇，其施工质量控制难度大。因此，今后需要进一步寻求优化、改进组合梁施工安装工序与工艺，以提高其与钢箱梁及常规预制PC混凝土梁的竞争力。
4 结语
港珠澳大桥主体桥梁工程已于2013年全面开工建设，目前工程建设已进入关键阶段。在非通航孔桥钢箱梁的设计与施工中，采用了诸多的新理念和方法，在实施过程克服了不少困难，也有了新的认识。归结起来，主要有以下几点：
一、港珠澳大桥工程的实施提升了国内钢箱梁加工企业的制造水平和制造能力。特别是在板单元自动化制造、单元装配及机器人焊接、室内长线法拼装、箱梁节段室内涂装、超声波相控阵检测等技术有了极大提升，群控焊接数据管理系统的应用提升了项目管理水平。
二、钢箱梁大节段吊装作业能力由杭州湾大桥、东海大桥的2000吨级提升到4000吨级水平，整体提升了我国海上桥梁工程大吨位构件吊装作业装备能力和水平；
三、基于施工全过程几何控制理念，形成了成套的多跨连续钢箱梁施工监控方法，确保大节段钢箱梁加工制作及现场安装质量；
四、在吸收国内外已有钢箱梁结构规范成果基础上，针对港珠澳大桥工程特点编制形成了成套大节段钢箱梁加工制造、安装及验收规范和标准。
以上是笔者结合自身参与本项目的体会，限于篇幅和个人水平，文中观点未必正确。借此抛砖引玉，引起业内同行关注和探讨交流。
