第四届全国公路科技创新高层论坛 2008年5月17日 昂船洲大桥 － 营运安全 和 养护策略 许志豪 香港特区政府路政署总工程师.

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1 第四届全国公路科技创新高层论坛 2008年5月17日 昂船洲大桥 － 营运安全 和 养护策略 许志豪 香港特区政府路政署总工程师

2 八号干线的路线（全长２８.３公里 ) 西部通道 昂船洲大桥 现有的一段八号干线 从机场到青马大桥 施工中的八号干线 –青衣至沙田段
深 圳 SHENZHEN 沙田 Sha Tin 元朗 Yuen Long 屯門 Tuen Mun 青衣 Tsing Yi 9 西部通道 昂船洲大桥 现有的一段八号干线 从机场到青马大桥 3 8 施工中的八号干线 –青衣至沙田段 （全长 13.5 公里 )

3 昂船洲大桥-整体结构布局 18m 53.3m 4m +298 mPD 独柱形桥塔 +175 mPD 流线形分离双箱梁 钢和混凝土的结合构件
混凝土构件 流线形分离双箱梁 53.3m 4m

4 昂船洲大桥 营运安全 养护策略 橋樑結構設計手冊提供香港的基本風速，重现期为 一百二十年，在十米高的基本風速是定為35米秒。 施工进度

5 昂船洲大桥 - 航道安全 298mPD 73.5mPD 最长拉索 = 540m 航道宽度 = 900m 主跨 = 1018m

6 大跨桥梁会根据来流风的速度和紊流强度 作出不同的响应

7 颤振 涡振 抖振

8 利用适当的气动措施减 低涡振及避免发生颤振  自激力  颤振 ? 强迫随机振动 自激力 抖振 在结构的设计上加以处理 涡振

9 涡振的成因 鎖定 9

10 消减涡振的方法 10

11 消减涡振的方法 导流板 11

12 昂船洲大桥 － 1:20比例的刚体节段模型试验 竖向响应? Camera 风

13 竖向响应的试验结果 没有架设导流板 折减竖向响应(RMS) 折减风速(U/fheaveB) 锁定

14 竖向响应的试验结果 竖向响应完全消减了! 锁定 设有导流板 没有架设导流板 折减风速(U/fheaveB) 设有导流板
折减竖向响应 (RMS) 折减风速(U/fheaveB) 锁定 设有导流板 折减风速 (U/fheaveB) 折减竖向响应 (RMS) 设有导流板 竖向响应完全消减了!

15 观察桥底空气流动的情况 15

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17 防撞栏杆撞击测试 重型货车撞击测试条件 载货后重量 30吨 車速 64公里/小時 撞击角度 20o 20
载货后重量 30吨 車速 64公里/小時 撞击角度 20o 20 The truck for the testing is a 1994 ERF multi-axle rigid tipper lorry. Mass CG Rigid, 8 wheel trucks with twin steer The CG is estimated by assessing the masses and CG heights of major vehicle components and taking moments about ground level.

18 防撞栏杆撞击测试 小轿车撞击测试条件 重量 900千克 車速 100公里/小時 撞击角度 20o

19 小轿车测试后的损毁比较 多索栏形式 四横栏形式

20 四横栏形式栏杆可以引致涡激共振现象 较低速度气流 锁定 较高速度气流 锁定 (折减风速) 四横栏形式栏杆 + 导流板 (零度攻角)
竖向响应/H 四横栏形式栏杆 + 导流板 (零度攻角) 锁定

21 涡振抑制措施

22 涡振抑制措施

23 平行钢丝索 钢丝索 – 112m ～ 540m 直径 – 115mm ～ 192mm 7mmWire – 163 ~ 499
HDPE 保护层 (2x4mm厚） 7mm直径热镀锌钢丝 钢丝索 – 112m ～ 540m 直径 – 115mm ～ 192mm 7mmWire – 163 ~ 499 重量 – 52 ~ 157 Kg/m 自振频率 – 0.22~0.48Hz

24 拉索风雨振

25 拉索风雨振试验 摸拟降雨 風 1:1 節段模型以鋼架及線性彈簧支撑
我們也進行了拉索風雨振的試驗。大家可以看到在下雨的時候，在拉索的表面形成了一條水線，在風的作用下，引致拉索的風雨振。 1:1 節段模型以鋼架及線性彈簧支撑

26 拉索风雨振减振措施 凹纹 二次索 内置阻尼器 (log dec 4%) 外置阻尼器

27 TMD去减低桥塔涡振 298m 风 钢 The critical issue here is about vortex shedding. When wind blows at a certain speed, along the bridge axis, the tower will vibrate in the across wind direction as a result of vortex shedding. The picture shows the model set up in the Velux tunnel in Denmark. As the tower is about 300m high, a 1:100 geometric scale will lead to a 3m high model. 桥塔 混凝土

28 TMD去减低桥身涡振

29 TMD去减低桥身涡振 局部强化１８根横梁，以方便将来后加调频质量阻尼器

30 大跨度桥梁的特点 造价和维修费高昂 设计假设和参数复杂 高架的结构增加养护工作的困难
设有一些特别构件，如阻尼器、缓冲器、大型支座、大型伸缩缝

31 养护策略 － 在设计阶段须尽早考虑养护问题 设计 施工 养护

32 养护策略 － 在设计阶段须尽早考虑养护问题 咨询养护单位 – 因设计的工程师不一定有养护的经验。
在施工期间，施工单位如果要对大桥作出设计的修改，也应该咨询养护单位的意见。 养护队伍必须对大桥的设计和建造有一定的认知。 设计或施工单位的人员也应有大桥养护的经验。

33 养护策略 － 在设计阶段须尽早考虑养护问题 耐久性考虑 － 降低大桥全寿命费用和延长服役期 制订一套全方位的检查和桥梁健康检测策略

34 桥梁的设计使用寿命 桥梁結構设计手册規定大桥设计使用寿命为120年 橋樑結構設計手冊提供香港的基本風速，重现期为
一百二十年，在十米高的基本風速是定為35米秒。

35 氯离子扩散 生锈腐蚀 橋樑結構設計手冊提供香港的基本風速，重现期为 一百二十年，在十米高的基本風速是定為35米秒。

36 增加混凝土耐用程度的 传统方法 改变混合料成分以减低混凝土内的氯离子扩散速度 水灰比 水泥含量 含粉煤灰(PFA)
硅灰 (Silica Fume)

37 桥塔混凝土的规格 + 不锈钢钢筋 強度(strength) 60 Mpa 保护层(cover) 60mm
裂缝宽度(crack width) mm 水灰比(w/c ratio) 水泥含量(cement) kg/m3 含粉煤灰(PFA) % 硅灰 (Silica Fume) % + 不锈钢钢筋

38 桥塔下半部 采用不锈钢钢筋和箍筋

39 桥塔上半部的结构 剪力钉 拉索锚锢箱 (钢材) 剪力钉 800mm 厚 混凝土壁 20mm 不锈钢外壳 Duplex Grade
This shows the inner components of a heavy composite option. The outer structural steel skin which is 20mm thick. The inner reinforced concrete wall which is 800mm thick. These two components will be connected by shear connectors. The steel anchor box for stay cables will also be connected to the concrete wall by shear connectors. 800mm 厚 混凝土壁 20mm 不锈钢外壳 Duplex Grade

40 不锈钢外壳预制组件模型 In order to enhance durability of the metallic finishes of the skin, it has been decided to use stainless steel shell instead of ordinary steel. A 1:1 prototype was fabricated to demonstrate the achievability of a good finish of the prefabricated steel units

41 在中山制作场进行拼装工序

42 拉索防腐措施 包括 镀锌的钢丝﹔ 高密度聚氯乙烯 (HDPE) 保护层﹔
钢丝索身以至冷铸索锚(socket)整体要求是防水，并要接受防水测试﹔ 不准以水坭浆作填料，填料须经批核﹔ 钢丝索须要接受严谨的疲劳测试。

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45 钢箱梁内部的抽湿系统 相对湿度低于60%

46 检查和桥梁健康检测策略: 定期检查养护策略 – 定期检查构件有否超越 其评级标准,有则更换或修复。 (Preventive Maintenance) 预测失效养护策略 – 用监测系统预测构件失 效状况和时间，从而进行重点监测。 (Predictive Maintenance) 状况评估养护策略 – 若有构件失效, 用监测系统分析失效原因和相应修复措施。(Condition-based Maintenance) 46

47 大桥检查的要求 检查一般以目测为主 目测可分为两种 : 一种是普通目测，另一种是近距目测 受检查面的光度须在100 Lux或以上

48 检查的种类 验收检查 日常检查 定期检查 主要检查 特殊检查

49 验收检查 大桥建成后的第一个检查 用以确定大桥的设计和建造是否达到要求的水平 验收检查是以最严格的主要检查形式进行
通常还会配合一些特别的检测，例如使用仪器量度混凝土保护层厚度和涂漆的粘附力 这些检测的结果能反映出工程的品质水平

50 日常检查 每星期一次 检查人员在慢速行驶的车辆上进行 侦查桥上的设施有否因交通意外或其它事故而造成损毁

51 定期检查 较详细的检查 以抽样方式为每种构件进行近距目测检查 若某种病害超出预算水平，养护单位会进行额外的抽样检查，以了解病害出现的程度
频率由每隔半年一次至两年一次不等

52 定期检查 结构物 频率 检查种类 百分比 远离桥面的吊索部份 钢桁架 支座 混凝土桥塔 桥塔防撞人工岛水底测量 两年一次 近距目测 5%
一年一次 10% 支座 半年一次 100% 混凝土桥塔 50% 桥塔防撞人工岛水底测量 超音波探测

53 主要检查 每隔六年才进行一次的详细检查 了解大桥的整体健康状况 覆盖范围包括所有构件 并以近距目测形式进行，检查结果有助制订长远的养护策略

54 特殊检查 在有需要的情况下进行 例如大桥遇到时速超过80公里的强风吹袭、桥址附近地方出现麦加利六级或以上的地震、轮船撞击桥塔人工岛等事故
此检查必须在事发后24小时内进行，以确定大桥的结构是否受到破坏

55 检查和维修通道 700Kg 钢箱梁桥身维修台 主梁维修穿梭车

56 主梁维修穿梭车 150Kg

57 纵向主梁之间的通道 ５３.３米 19.5 米 分体双箱梁结构 5 x 18 米

58 钢箱梁桥身维修台

59 钢箱梁桥身维修台

60 桥塔顶部吊架的运作

61 吊架下降至桥塔不同位置进行检查

62 桥梁在运营期 所面对的各项荷载和风险 62

63 腐蚀破坏 Bridge Name (桥梁名称) : Silver Bridge(银桥)
Location (地点) : West Virginia, USA (美国维珍妮亚洲) Bridge Completion (落成日期) : 1928 (1928年) Collapse Date (倒塌日期) : December 1967 (1967年12月) Cause of Collapse(倒塌原因) : Failure of Structural Steel due to Corrosion (腐蚀导致构造上的钢铁出现衰退) 63

64 结构失效 Bridge Name (桥梁名称) : I-35W Mississippi River Bridge (I-35W密西西比河大桥) Location (地点) : Minnesota, USA (美国明尼苏达州) Bridge Completion (落成日期) : November 1967 (1967年11月) Collapse Date (倒塌日期) : 1 August 2007 (2007年8月1日) Cause of Collapse (倒塌原因) : Investigation underway (concern had been emphasized on possible flaw at truss girders) (调查中，集中调查大梁构架裂缝) 64

65 风力及桥梁结构健康监测系统 东桥塔 西桥塔 风速仪 (24) 加速度传感器(58) 温度传感器(388) 动态应变仪 (678)
WIM 西桥塔 WIM 风速仪 (24) 加速度传感器(58) 温度传感器(388) 动态应变仪 (678) 静态应变仪 (158) 卫星定位系统 (20) 位移传感器(34) 缓冲器传感器 (18) 支座传感器 (12) 磁性拉力传感器(32) 气压仪, 雨量仪 及 湿度仪 (28) 腐蚀仪 (33) 数码录像机(18) 动态秤重仪 (4) WIM

66 桥梁结构健康监测系统的发展可分为三个方面:
建立可更新的桥梁评级系统作为监测和评估标准。 研究和发展桥梁构件损伤诊断和预断方法，能够有效地执行状况评估养护策略 。 推广桥梁结构健康监测的知识和经验给执行桥梁养护和设计的工程师。 66

67 和三个运营策略 (Operation Strategies)
结构健康监测系统的两类运营状况 和三个运营策略 (Operation Strategies) 实时运营状况 运营策略1 –正常结构状态监测(Normal) σDerived< 0.75σSLS报告测量结果 非实时运营状况 运营策略2 –临界结构监测状态(Critical) 0.75σSLS <σDerived< 1.0 σSLS报告结构诊断结果 运营策略3 –结构退化状态评估(Degradation) σDerived > 1.0 σSLS 报告结构诊断和预断结果 67

68 结构健康监测 的一些典型结果 68

69 青马桥跨中桥身实测横向位移及平均风速(每小时)的关系
ULS Displacement = 4.35 m SLS Displacement = 2.90 m Lateral Displacement at Mid-Span (metre) Predictive Value Based on Wind TunnelTest 预测值 Hourly Mean Wind Speed at Deck Level (m/sec) 69

70 青马大桥北面垂直吊索荷载分布图 吊索长度(公尺) 吊索垃力(公顿)
100 200 300 400 500 600 700 800 M1 M11 M21 M31 M41 M51 M61 M71 M81 M91 Measured Loads in North Suspenders Measured Loads in South Suspenders Suspender Length Note : Each set of Suspender is composed of 4 Nos. 75 mm dia. Hanger Strands. ULS Material Strength= 617 tons ULS Design Load= 500 tons SLS Material Strength= 448 tons SLS Design Load= 435 tons 吊索长度(公尺) 吊索垃力(公顿) Tension Load during Erection Stage 70

71 构件疲劳评估位置 青马大桥构件疲劳监测例子–构件位置图(Fatigue Monitoring) 动态应变仪位置
Ma Wan Tower Tsing Yi Tower CHAINAGE Ma Wan Abutment 构件疲劳评估位置 Tsing Yi Abutment 动态应变仪位置 SPTEN01A SPTEN01B SSTEN01 North South Sectional View at Chainage CHAINAGE Partial Elevation View at Chainage 71

72 青马大桥构件疲劳监测例子–构件疲劳评估结果
BS-5400: Part 10 σr – N Curves Class F Half-Cycles Counts STRESS (N/mm2) Fatigue stress concentration factor 1.4 推算疲劳筹命 >> 设计疲劳筹命, 因此构件目前没有疲劳问题

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74 施工中

75 施工中 混凝土边跨 – 100% 桥塔旁边的钢箱梁 – 100% 东塔 – 281m 西塔 – 246m 钢箱梁节段 – 23/65
钢箱梁节段 – 23/65 拉索 – 29/224

76 2008年底合龙 76

77 总结 2008年底合龙 昂船洲大桥对桥梁工程师是一项重大的挑战 大桥属地标性建筑物。耐久性、维修养护，以及大桥可安全使用是关键问题
大桥项目做了充分的前期工作，在上述各方面进行了全方位的研究。 2008年底合龙 现时以到达一个关键时刻，正是要实践前期工作所考虑的各项措施 77

78 2009 谢 谢 78