1.概况
青马大桥雄伟壮观，是目前世界最长的公铁两用悬索桥。大桥横跨香港青衣岛及马湾岛之间宽约两公里的马湾海峡，是通往赤鱲角香港国际机场之青屿干线上最显要部分。大桥位处繁忙的马湾航道之上，水深达30m。香港位于亚热带，年平均气温和总降雨量分别为23°C和2214mm，每年平均受15个台风吹袭，最高风速达每小时118km。
图1 - 青马大桥全景
主要技术标准
(1) 双层主梁 ： 上层六车道高速公路
下层全天候双单线车道及双轨铁路
(2) 设计使用年限 ： 120年
(3) 设计交通速度 ： 公路：100km/h
铁路：135km/h
(4) 主梁宽度 ： 41m
(5) 荷载标准
车辆荷载 ： HA + 45单位HB (根据英国运输部标准BD37/88)
铁路荷载 ： RL (根据英国标准BS5400 第二册)
设计风速 ： 85m/s阵风、50m/s平均时速
船舶撞击荷载 ： 220,000吨级海轮于时速8浬之撞击
地震基本烈度 ： 修订麦加利烈度表7级
(6) 通航净空 ： 净高62m，净宽1000m
2.整体设计规格及标准
大桥的设计规格及标准是根据香港特别行政区路政署的「公路及铁路结构设计手册」而制订的。同时根据英国有关应力、应变及挠度的标准，以及设计、制造及建造方面的工作守则，再加以修改，订出切合香港情况的设计规范。当中亦包括香港的气象、地震、地质及水文等各方面的数据和资料。
设计的一大目标是确保通往大屿山的通道在任何天气情况下均可开放使用。为了达到这个目标，设计师将两条铁路路轨置于大桥不受风雨影响的下层，并在路轨两旁兴建密封的行车道（图2）。
图2– 主梁横断面
设计工作上最主要的挑战是大桥需要承托机场铁路的高速列车所导致的纵向、侧向及旋转位移，这决定了大桥的整体支承体系和形态；而大桥的详细接合方法则主要取决于大桥极大的疲劳荷载。其它设计限制包括：必须保持海上和空中的航道畅通无阻、防止船只意外误撞桥塔、抵御台风，以及克服在潮水流动急速的深海中施工所构成的困难。设计过程中最重要的一环要算是计算大桥所须承受的风力，过程牵涉大量计算工作，有关人员更在英国和加拿大进行多次风洞测试。计算及测试结果证实大桥能抵御风速达342km/h的台风，而在任何施工阶段及竣工后，均能保持稳妥坚固。
3.大桥支承体系
大桥全长2,160m，主跨1,377m，为双跨悬吊式连续梁悬索桥。主梁结构布置为流线形体中央开孔双向钢桁架加劲梁，大桥巨大的荷载由两条直径约1.1m的主缆及两座高206m的钢筋混凝土桥塔承托，每条主缆锚固在两座采用重力式结构的巨型锚碇。每组吊索由四根竖直的75mm直径钢丝绳组成。
从马湾端开始，桥跨布置为63m + 76.5m + 355.5m +1,377m + 72m + 72m + 72m + 72m = 2,160m（图3）。大桥两端边跨的结构布置显着不同，马湾悬吊边跨由马湾锚碇及两座桥墩支撑。至于青衣边跨由于通往青衣引道须逐步扩阔（图1），以容纳延伸向三号干线交汇处的引路，若采用悬扣方式支撑渐宽的主梁，必须制造悬吊缆索的特别接驳构件，在施工上会增加一定的困难和风险。另外由于青衣边跨建于陆地上，所以最终采用桥墩来支承，这方案也比较经济。
图3 – 桥型布置
为满足因荷载、温度及风力所产生的桥跨位移及达至高速平稳的行车要求，大桥主梁结构采用连续梁，全桥纵向位移锚固在马湾桥台，使大桥之伸缩集中在设有大位移行车道及铁路伸缩缝的青衣活动端，该伸缩缝的伸缩量达±750mm，是世界上同类型中最大之一。大桥主梁通过青衣及马湾桥塔时分别支承在桥塔最低横梁上的滑动和旋臂式支座，采用两种不同的支座，是由于主跨主梁在某些荷载模式下，近马湾的桥面可能会向上倾斜，故须使用旋臂式支座来应付这种情况，相对来说，由于青衣旁跨建于桥墩上，可起稳定作用，故减低近青衣的主梁向上挑起的可能。此外，安装在桥塔支柱内侧的预压滑动及可调整支座限制了大桥在桥塔支柱内侧的横向摆动幅度。
4.主桥结构
(1)锚碇
大桥锚碇采重力式设计，凭锚碇本身重量承受每根主缆逾5万吨的巨大拉力。位于青衣的锚碇重约20万吨，深藏地下（图4）；而马湾锚碇则局部埋藏于地下，重约250000t。锚碇状似一个嵌入石床内的混凝土箱，锚碇的底部建有永久排水道。主缆锚固采用前锚式，具锚固容易、检修和保养方便等优点，缆束索靴透过两根螺栓固定在钢板上，再通过两束加上400t预应力拉索将缆力传至锚体。
图4- 青衣的锚碇截面
马湾锚碇的挖掘工程比较简单，只需掘至地下约20m深，在缆束斜张室底部的石面，挖成一层层向上倾斜的阔大梯级，以增加锚碇凭自重产生的抗拉力；而青衣锚碇因地形所限，必须建于山坡上一个深入地下约50m的漏斗形深坑（图5）。挖掘工程历时五个月，涉及爆破岩石约共300000 m3。
图5 – 青衣锚碇的深坑
(2)桥塔基础
大桥桥塔高206m，支承主缆及其荷载。组成桥塔的一对支柱建于混凝土地基上。每个地基承受最大荷载超逾100000t。由于海水含盐份和活性化学物质，为防海水渗入地基的混凝土以致侵蚀钢筋，所有钢筋均涂上环氧树脂保护层。
青衣桥塔地基直接建于岸边坚稳的岩石上。每条桥塔支柱分别由长27m、宽19m及厚7m的钢筋混凝土地基支承。地基底部约在水深2m处。青衣桥塔地基临海建造，四周再筑起混凝土海堤，可防止桥塔支柱被重型船舶直接碰撞。而马湾桥塔地基则建于海床，水深达12至14m。建造时首先将地基范围内的淤泥挖走，然后在水中进行爆破工作，在海床岩石上造成两个约1m深的凹槽，以便放置两个钢筋混凝土沉箱。每个沉箱长约28m及宽20m。这两个沉箱在一艘可半潜的趸船上并排建成（图6），利用灌水法将趸船上的沉箱滑下，当拖至预定位置时，开启沉箱底部12个临时密封装置让水淹进，使沉箱安放于海底石床的凹槽上。与青衣桥塔的船舶防撞设施一样，桥塔四周筑建人工岛以防止桥塔支柱被船只直接碰撞。
图6– 马湾桥塔地基沉箱
(3)桥塔
桥塔的形状经过审慎设计，顾及整体建筑比例，以柔和的弧线向上收窄（图7），桥塔用钢筋混凝土建造，高206m，最大荷载约为40000t。马湾桥塔和青衣桥塔各有两条支柱，由四道横梁连成一体。每座桥塔各有两个竖井，其一装有升降机，另一建有爬梯及工作台。支柱顶安放铸钢鞍座及不锈钢上盖覆罩。
图7– 桥塔外型
桥塔支柱是采用滑模建造法成对建造，历时约三个月(图8)。滑模上移速度为每日1至3m，故此混凝土的成份须经特别设计，确保混凝土以适当的速度凝固。横梁及鞍座底座的灌筑工程另需时约三个月。在建筑期间，桥塔支柱必须能抵御台风或狂风吹袭；为此，承建商预先制造桥塔模型进行风洞测试，以确保在预计风力吹袭下，整座桥塔均安全稳固。
图8– 建造中之马湾桥塔
两座桥塔的顶部合共装上四个鞍座，每个重约500t，采三节分体式结构，以减低吊装能力的限制。鞍座下装有格床，格床与鞍座之间设有一个滑动支座，用螺栓锁紧。在架设主梁时，主缆的拉力会逐步增加，但磨擦力使主缆不能在鞍座内槽上滑动，引致主缆将桥塔顶拉向主跨，造成桥塔支柱挠曲。为预防桥塔支柱过度挠曲，以致支柱承受过大应力，滑动支座在工程进行时是松开的，使原先偏向旁跨两边的鞍座能够被顶回桥塔的中心，从而令桥塔顶回原位。顶回的工序在架设主梁时分三个阶段进行，鞍座的最大位移量为1200mm，当工程完竣后、滑动支座即被永久锁紧。
(1) 主缆
大桥主缆采用空中绞织法建造，此方法是在工地将逐条钢丝绞合制成主缆。钢丝由绞织盘牵引反复来回于两个锚碇之间，织成缆束继而成缆。旁跨共有97组缆束，而主跨则有91组。每组缆束钢丝数目略有不同，但一般为368根。两条主缆均由5.38mm直径的镀锌高拉力钢丝平衡并列织成。在主跨部分，每条主缆索由33,400根钢丝组成。但在边跨部份，由于主缆角度陡峭，主缆需承受较大拉力，因此组成主缆索的钢丝多达35,224根。主缆从桥塔顶端陡直而下穿过斜壁，进入锚碇内的缆束斜张室，经过散展鞍座后分成多组缆束，每组缆束回绕由钢铸成的半月形缆束索靴将缆力传至锚体。绞织工序历时共九个月完成（图9）。
图9– 调整主缆钢丝垂度
绞织工序完成后，紧缆工作随即展开（图10）。两条主缆均被压缩成圆形并用钢制的临时箝带捆扎。压缩机内安装了六个250t的向心压头，能够将主缆压缩至大约1.1m直径。紧缆完成后，主缆装上244个由两半月形铸钢组成的索夹，以螺栓锁紧。因青衣引跨主缆没有装置吊索，只需54个索夹锁紧主缆，其余190个索夹的槽沟回挂着两条直径为75mm的镀锌钢丝绳，形成每组四根缆索吊索（图11），合共760根悬吊缆索。
图10 – 紧缆工作进行中
图11– 索夹及吊索布置
图12 – 主梁结构透视
图13– 主梁吊装
在防腐措施方面，每条主缆均涂上红铅漆并用上直径3.5mm的镀锌钢丝包捆（后页图14）。主缆包捆妥当后，再髹上六层保护漆。完成后的主缆直径为1.1m，总长约4.4km，总重接近26,700t。
(2) 主梁
大桥主梁宽41m及厚7.2m，采用首创及别具特色的流线型体中央开孔双向钢桁架结构（图12），纵向及横向分别采用华伦式及空腹式桁架，上及下层桥面铺上正交异性钢板，具自重轻及刚度大的优点。主梁采用翼剖面形设计，两边外缘装上流线型不锈钢覆面及经特别设计的风咀，以便令气流转向。主梁在上下层桥面中央预留一道气隙，可提高主梁的气动稳定性。
香港位处台风地带，风力强大。此外，由于桥面宽及跨度大，为确保大桥具抗风稳定性，主梁须进行节段和全桥气动弹性模型风洞试验，对桥梁风致振动进行了全面的分析研究。根据试验结果，施工状态在最不利的 +5° 风攻角时的颤振临界风速在低紊流度（Iu = 9%）和高紊流度（Iu = 16%）分别大于48m/s及45m/s；成桥状态在 0° 风攻角时颤振临界风速大于95m/s，完全满足抗风稳定性要求。
主梁组件共用逾49,000t优质结构钢建造。在95件主梁节段中，大部份均为18m长。主梁吊装采节段架设方法，由大型驳船运至预定位置，然后垂直吊装。为使工地架设工作更快完成，每两节段预先嵌接成36m，重1,000t组件然后顺序吊装。架设工程在主跨中央对称逐步向两侧桥塔推进（图13）。主梁组件由钢绞线起重机吊放，开创了吊桥工程的先河。
为减少焊接变形和有利于焊接应力释放，已架梁段之间通过每个节段两端的工地匹配件临时连结，以满足抗风稳定要求。在架设约六成梁段后，梁段成桥线形接近设计线形，此时开始焊接部分上下层桥面钢板，继而用螺栓将各段桁架连接，最后再进行焊接，逐一固接梁段。最后一节梁段的架设必须将整段已架设梁段拉后400mm，以便有足够的间隙待嵌。梁段架接历时八个月完成。
5.车道铺装
为减少大桥的静载，车道铺装物料均采用特制材料，上层车道铺装采用40mm厚沥青马蹄脂，此物料使用特里尼达湖沥青混合石油沥青和碎石料制成，具低温抗裂和高温稳定特性，除坚固耐用外，也可提供舒适的行车路面。铺装表面洒上花岗岩碎石，加强车道防滑作用。为防止水份渗透而侵蚀钢桥路板，在铺筑沥青马蹄脂前，铺上经特别设计的防水胶膜（图14），可抵御施工时达220-240°C高温。下层车道使用量较少，只在紧急事故或修护时使用，因此，铺装物料选用7mm厚环氧树脂钢沙料，可进一步减轻主梁静载。
图14 – 车道防水胶膜铺装及主缆防腐进行中主梁吊装中
6.桥梁健康监测系统
为了监测大桥的结构健康和进行结构评估工作，大桥上安装了一套桥梁结构健康监测系统「简称为桥监系统」。其作用是监测大桥在使用期间结构健康变化和进行结构评估，以作出相应的应变措施，例如进行特别检查和维修等工作。结构健康是指结构的可靠性，其中包括结构承载能力、状态和耐久能力等。而结构评估工作是指利用特定讯息，分析既有桥梁的可靠性并作出随后的修护决策。
桥监系统主要由六个系统组成并通过网络联系运作。这六个系统包括：(1) 传感器系统、(2) 讯息收集及传送系统、(3) 讯息处理和分析系统、 (4) 结构健康评估系统、(5) 结构健康数据管理系统、及 (6) 检查及维修系统。传感器系统主要是指安装在大桥内约350个传感器及有关附件，其中包括风速仪、加速仪、应变仪、位移仪、温度仪、水平仪、车轴车速仪、全球定位仪、讯息放大处理器和串联接口等。讯息收集及传送系统安装在大桥内三个由微型计算器控制的讯息收集站，收集传感器传来的讯息并将之数据化，然后利用光纤网络传送至讯息处理和分析系统中，进行初步分析，并将已处理和分析讯息输送至结构健康评估系统中，进行整体结构的可靠性评估工作。
7.主要技术特点和创新点
(1)青马大桥是目前世界最长的公铁两用悬索桥，现已成为香港的新地标。整项工程计划在非常紧迫的时限下完成，以当时建筑规模及复杂程度上，能够在仅仅五年内建成，尤其难能可贵。大桥的建成，成功地体现由世界十七个不同国家的工程人员携手合作的成果。
(2)大桥主梁创新采用从未结合的工程方案，使用别具特色的流线型体中央开孔双向钢桁架结构，流线型体桥身加上独特的中央通风隙设计有效地减低主梁底面风致压差，大大提高主梁的气动稳定性。另外主梁下层采用全天候密封式设计，确保公铁交通在恶劣天气情况下仍可运作。
(3)另一创举是在大桥内安装了齐备的监察仪器，利用计算机分析监察结果，藉此监察及预测大桥的结构性能表现，无疑大大推进桥梁监察技术的发展。
(4)大桥主缆是世界上使用空中绞织法建成中最大的。另外大桥设置的大位移行车道及铁路伸缩缝，是世界上同类型中最大之一。
(5)大桥首创采用安装在主缆上的钢绞线起重机吊装重达1000吨的主梁组件，大大提高吊装能力，从而缩减吊装工时，达至加快建筑速度，对海上交通影响减至最低。
(6)大桥上安装了一套精密的交通控制及监察系统，达至高效管理及提升道路安全水平，确保大桥及邻近的道路网络交通畅顺。
青马大桥在桥梁技术上除达至国际级水平外，更在多方面技术上挤身世界领先地位。大桥更在一九九七年囊括两项英国建筑大奖，在172项参选工程中，荣获英国建造业土木工程奖及英国建造业荣誉奖。除上述奖项外，青马大桥也荣获一九九七年度英国结构工程师学会特别奖及一九九八年度钢料结构设计奖，更被选定为英国千禧年产品。一九九九年，日本土木学会，‘田中赏’；二零零零年为香港十大杰出工程项目选举之冠军；二零零四年，中国土木工程学会，桥梁及结构工程分会，选为“全国十佳桥梁”之一。
8.有关资料
桥名 ： 青马大桥
桥型 ： 双塔双跨悬吊式连续钢桁架公铁两用悬索桥
主跨径 ： 1３７７m
桥址 ： 香港特别行政区马湾海峡
建设单位 ： 香港特别行政区路政署 (Highways Department, Hong Kong SAR Government)
设计单位 ： 万隆工程师顾问香港有限公司 (Mott MacDonald Hong Kong Limited)
施工单位 ： 英高日建筑联营所（由特法佳建筑（亚洲）有限公司、高捷达土木工程有限公司及三井物业有限公司联营）(Anglo Japanese Construction Joint Venture comprising Trafalgar House Construction (Asia) Limited, Costain Civil Engineering Limited and Mitsui and Company Limited)
混凝土用量 ： 桥塔52,000 t、青衣锚碇200,000 t、马湾锚碇250,000 t
钢材用量 ： 主缆26,700 t、主梁49,000 t
造价 ： 约70.6亿港元
建成日期 ： 1997年5月
