港珠澳大桥设计之美-1

2018年10月23日，港珠澳大桥开通仪式在广东珠海举行，习近平出席仪式并宣布大桥正式开通；大桥于同年10月24日上午9时正式通车；届时驾车从香港到珠海、澳门仅需45分钟。

作为中国从桥梁大国走向桥梁强国的里程碑之作，该桥被业界誉为桥梁界的“珠穆朗玛峰”，被英媒《卫报》称为“现代世界七大奇迹”之一，同时也是施工难度最大、投资最多、跨度最长的桥。

独特的建筑设计

港珠澳大桥东起香港国际机场附近的香港口岸人工岛，向西横跨伶仃洋海域后连接珠海和澳门人工岛，止于珠海洪湾；全长55千米，分别由三座通航桥、一条海底隧道、四座人工岛及连接桥隧、深浅水区非通航孔连续梁式桥和港珠澳三地陆路联络线组成。

大桥设计使用寿命120年，可抵御8级地震、16级台风、30万吨撞击以及珠江口300年一遇的洪潮。

6km长隧道和两个隧道人工岛是水上桥梁与水下隧道的衔接部分，为全线路段的重点配套工程，同时也是是当今世界同类工程中综合技术难度最大的工程。

人工岛工程具有4个重要特点：

（1）工程所在水域为珠江口航运咽喉区段，是世界上水上交通最繁忙，通航环境最复杂的海域，且工程区穿越中华白海豚保护区，环保要求很高。

（2）外海软土厚达40m，隧道人工岛岸壁要提供4-5年施工期内高保障度止水环境，外海筑岛止水深基坑建设难度极高。

（3）需要满足120年的耐久性要求和高标准越浪要求（极端工况<0.015m3/m.s）。

（4）东、西人工岛是隧道工期的关键环节，尤其西小岛必须尽早为隧道沉管提供对接条件，工期紧。

受800万吨海床淤泥的影响，施工团队采用了“钢筒围岛”方案：在陆地上预先制造120个直径22.5米、高度55米、重量达550吨的巨型圆形钢筒，通过船只将其直接固定在海床上，然后在钢筒合围的中间填土造岛。

大圆筒结构通常是指直径在6～7米以上的无底、无内隔墙的薄壁圆柱壳结构，多由钢筋混凝土材料或钢质材料制成。

钢圆筒的有限元分析

钢圆筒稳定分析采用日本的OCDI和插入式圆筒的施工工法。

同时使用了仿真岩土有限元软件分析东、西人工岛六种工况组合。

以下对钢圆筒吊装环境进行仿真分析。

工程师根据钢圆筒设计方案建立实际等比例模型，然后进行有限元网格化分。结合钢圆筒的材料结构，考虑采用双主钩进行整体吊装，将浮吊吊钩处约束为固定点，并对整个模型施加重力加速度，得出以下结果。

可以看出，在原始结构状态下，采用双主钩吊装，钢圆筒最大应力值为σ1 = 227.233 MPa，而安全许用应力值[σ] = 265 MPa，吊装应力满足安全要求。钢圆筒最大变形达347.544mm，变形量较大，需采取措施降低吊装变形量。

决定从两方面改进吊装方案。一是增加吊点数量，由原来的四绳四吊点增加到八绳八吊点；二是对钢圆筒进行局部加强，在钢圆筒底部变形量较大的几个点之间临时烧焊圆管连接，抑制吊装变形，如图3所示。

采取以上两个措施，重新进行有限元运算，输出计算结果。

当采用局部加强措施并增加吊点数量后，钢圆筒吊装时最大变形量降低，钢圆筒变形量明显好转，并低于预期变形量，满足吊装要求。

之外，仍然可以利用仿真分析其他工况，例如位移、地基承载力安全系数、滑动安全系数、剪切变形安全系数等，在施工之前提前预知可能出现的问题，并有针对的进行方案调整和改进，确保施工方案的成功。这样节省了施工费用和时间，又能提高施工安全系数，确保安全。

钢圆筒的广泛应用前景

深插大直径钢圆筒结构在大水深、厚软基环境中具有开挖少、稳定好、工期快、环保优等优势，具备对不均匀土层纠偏能力，尤其是具有可靠的止水防漏砂功能，采用类似钢管桩的防腐措施，可满足50年的使用寿命要求，在防波堤、护岸、码头、人工岛等结构的建设中具有广阔的使用前景。