港珠澳大桥是一个怎样的建筑结构

利用轴对称的原理。

港珠澳跨海大桥上的绳索和高高的塔(斜拉索)运用了轴对称和三角形稳定性强的数学原理。我们都知道每个水域的水流是不一样的，船只要跟水流保持垂直状态，在每一个不同水流的地方设立一个点，连接起来就是弯弯曲曲的。这也就是港珠澳大桥为什么是弯曲的根本原因。

港珠澳大桥有三种形态结构：“桥、隧、岛”

桥，有三个部分，桥下可以通航远洋货轮；为了避免影响香港空港的航空安全，有一段以海底隧道的方式建造，在桥隧之间，建有四座人工岛，分别连接桥-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。其中，三座通航桥从东向西依次为青州航道桥、江海直达船航道桥和九洲岛航道桥；海底隧道位于香港大屿山岛与青州航道桥之间，通过东西人工岛接其它桥段；深浅水区非通航孔连续梁式桥分别位于近香港水域与近珠海水域之中；三地口岸及其人工岛位于两端引桥附近；通过连接线接驳周边主要公路。（具体见图）

中国的基建能力在世界上都是名列前茅的，不管是铁路建设还是公路、桥梁方面的建设，我们中国制造从来就没有让人们失望过，为此很多国外的施工队都会向我们虚心学习，甚至有的国家还请我们过去帮忙修桥修路，例如英国、印尼、沙特、巴基斯坦等等，这也从侧面证明了我们中国制造的实力。就拿桥梁建设来说，中国这些年陆续开通了港珠澳大桥等著名的跨海大桥，当我们行驶在大桥上时，内心除了充满骄傲外，会不会疑惑大桥是如何建成的呢？尤其是连接大桥的钢丝绳，为什么钢丝绳那么细，却能撑得住成千上万吨的重量呢？

其实钢丝绳在施工队的专业术语中被称为钢绞线，这是悬索桥最显著的特征，钢绞线的作用非常强大，它起到了承受桥梁本身重量以及过往车辆重量的能力，很多大桥在建设时都会用到钢绞线，至于它为什么能承受住成千上万吨的重量，那就还要从它的制造过程来说起了。钢绞线其实是由无数个小钢丝合绳而成的，俗话说得好“一根筷子一折就断、十根筷子费劲吃奶的力也折不断”，大桥的钢绞线也是这个道理，无数个钢丝绑定在一起形成了强大的力量，那么这些钢丝绳又该如何选材呢？

首先钢丝必须是桥梁专用钢丝，合格的钢丝经过表面的热处理和拉拔之后才能进行下一步的操作，合格的钢丝还必须在表面涂上一层“油漆”它可能是镀锌或者是合金材料，作用就是让钢丝绳的韧性更强更坚固。当钢丝绳基本处理完毕之后，就可以进入到生产过程，钢丝需要经过拉丝、捻股、合绳这三道最重要的工序，小钢丝合成一股钢丝，小股钢丝再合成大股钢丝，最后再把它们放到分盘器中进行合绳，最终出来的成品就是钢绞线了。另外刚生产出来的钢绞线必须涂抹润滑油脂，这层油脂可以起到保护钢绞线的作用，并使其在恶劣的环境下长期使用，所以我们看到的大部分钢绞线看起来黑乎乎摸上去黏黏的。

最后投入到使用中的钢绞线抗拉能力非常强，完全能够承担得起大桥上千吨的重量，一般使用全钢丝绳承重的大桥也被称为预应力大桥，这种大桥具备很强的抗压能力，以及足够的韧性，所以使得这种大桥更能抵御地震台风等自然灾害，这一切的关键就是起到承重作用的“钢丝”。

最后校长总结一下，大桥上的“钢丝”之所以能够承重，那是因为它有一套非常完整的生产工序，最后的成品也被称为钢绞线，几十条钢绞线一起共同承担起大桥的重量。

按照钢丝绳捻制方法分类

单股绳

也称为单捻绳，由制绳钢丝钢丝绳层次围绕中心丝或麻芯捻制而成，可以捻制一层或多层钢丝。

双捻绳

由双股绳围绕绳芯(钢芯或纤维芯)捻制而成，可以捻制一层或多层钢丝，是使用最广泛的钢丝绳品种。

三捻绳

以双捻绳作为股绳围绕绳芯捻制而成，主要用于直径60mm以上的粗规格钢丝绳，如海工钢丝绳等

出品：科普中国

制作：鹤运

监制：中国科学院计算机网络中心

5月2日13时许，伶仃洋上，重达6000吨的最后接头像“楔子”一样将海底隧道连为一体，这意味着迄今世界最长跨海大桥——港珠澳大桥主体工程即将全线贯通。5月6日最终接头开始实施焊连作业，公众翘首期盼历史性时刻的到来。

图片来源网络

前无古人之“半刚性”管节结构设计

不同于许多跨海大桥，港珠澳大桥是一座桥—岛—隧一体的大桥，其岛隧工程由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。

但若要问港珠澳隧道与其他的海底隧道最大的不同在哪里？回答一定是它的结构设计方案，也即使得这座大桥的海底隧道“前无古人”的关键所在——“半刚性”管节的结构设计与实施方案。

清华大学土木工程系地下工程研究所宋二祥教授团队，为其中的可行性论证提供了关键的技术支撑。

“半刚性”管节设计由来

1.隧道沿线地质情况

在地下工程中，稳定问题和变形问题尤为重要。因地形和地质条件复杂，港珠澳这样的海底长大隧道中，变形问题十分突出。

例如，隧道两侧填筑了两个人工岛，用于海上大桥和海底隧道接驳，人工岛附近隧道位置较高，由人工岛过渡到深埋段的中间过渡段的地质条件变化较大，若处理不好极易产生不均匀沉降。

图：隧道沿线地质情况

针对这种情况，一方面，需要对软弱地基进行处理。为了减小过渡段的不均匀沉降，不同位置采用不同的地基处理方式。另一方面，结构本身也应当具备抵抗不均匀沉降的能力。

一般而言，海底隧道有“刚”与“柔”两种结构形式。对于较短的海底隧道而言，隧道沿线地质情况变化较小，可做成整体式的刚性结构；但对较长的隧道而言，柔性结构通常因其适应变形的能力更强而更加合适。

2.“刚”“柔”之选，进退维谷

原先的设计主要考虑到了两个导致不均匀沉降的原因，一是作为岛隧结合部位的人工岛在施工完成后较长时间内的持续沉降，二是沿隧道长度方向地基不均匀引起的沉降。

这两点柔性隧道都能应对——隧道安装完成后，将剪断预应力钢筋，节段之间能更自由地变形。这一柔性方案被称为“节段式”方案。

图：预制完成的钢筋混凝土隧道节段

然而，港珠澳工程中，情况则更为复杂。与通常埋深较浅的沉管隧道不同，港珠澳隧道完工后，其中间部分将深埋于海底的深厚淤泥中。

长远来看，海底淤泥淤积深度预计将随时间增加、影响巨轮通行，将要在隧道沿线进行两处航道疏浚，分别是靠近香港一侧的铜鼓航道和靠近珠海澳门一侧的伶仃西航道。

航道疏浚清淤则会直接导致隧道上方的荷载变化。简单而言，在施工刚完成、淤泥尚未淤积时和淤泥淤积过程中，沿隧道长度方向，淤泥的淤积荷载的空间变化并不剧烈。而航道疏浚后，主航道的淤泥面比其他部位低20m左右。

图：远期疏浚区域

“半刚性”管节——刚柔并济，游刃有余

后来，相关负责人提出一想法：不剪断串联节段的预应力钢筋，利用其预应力。在预应力的作用下，节段和节段之间的摩擦力增加，依靠增加的摩擦力抗剪，以此解决剪力增加带来的问题。

这样处理之后，隧道的结构和之前不同，在长期使用过程中，多了很多条预应力钢筋，相当于永久地改变隧道结构。这种结构下，隧道能否正常工作，隧道的各项指标是否仍然满足要求？团队的心中也有疑问。

宋二祥教授说，结构设计本身就有两种思路：一种是柔性结构，允许有一定的差异沉降，利用设置沉降缝等方法减小差异沉降对结构的影响；另一种思路是通过增大结构的刚度和强度，控制差异沉降。这两种思路总结成两个字，“让”和“抗”。定性地看，只要能符合设计要求，两种思路都合理。但定量地看，一味地“让”不仅会有接头抗剪承载力不足的风险，在差异沉降较大时还会增加隧道漏水的风险；不剪断预应力筋的这一做法是符合力学原理的，但结构刚度增大后，内力也会相应地增加。

经过团队详细周密的结构-地基整体分析，保留预应力后的“半刚性”管节节段间的抗剪承载力有效提升，能够抵抗疏浚导致的较大剪力，差异沉降也能控制在允许范围内。

虽然刚度增加也会引起混凝土沉管构件内力增大，但由于预应力筋不剪断使得节段接头永存最小压力提高，摩擦抗剪所带来的抗力的提升较内力提高更大，节段接头的抗剪安全度反而提高了。

在这个特殊的问题中，传统的柔性结构和刚性结构都解决不了实际问题，正所谓“柔不丝屈，刚不玉折”（取其本义）。在钢筋混凝土沉管构件已经定型、结构方案不可能做大幅度调整的情况下，“半刚性”管节方案无疑是最合适、最安全的方案。

图：拼接好的管节准备从生产基地启程拖运就位

虽然当时仍然有某国际知名咨询公司持反对意见，对这一“不遵守传统”的新概念提出质疑，后来他们经过计算，亦对此心服口服。之后不久，“半刚性”管节方案顺利通过了各方专家的评审，在工程中正式实施。

图：首节沉管安装

据悉，港珠澳大桥建设现已进入最后收官阶段，预计今年底大桥将全线通车，届时香港至珠海的陆路通行时间将由3小时变成半小时。

一隧连东西，汪洋变通途，此国之华也，亦身之荣也。船舶出海，古已有之，现一桥飞架三地，惊艳世界，则桥梁“出海”，未来可见。

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钢丝绳是由钢丝、绳股、绳芯三部分组成。钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺旋状钢丝束，钢丝绳由钢丝、绳芯及润滑脂组成。钢丝绳是先由多层钢丝捻成股，再以绳芯为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。在物料搬运机械中，供提升、牵引、拉紧和承载之用。钢丝绳的强度高、自重轻、工作平稳、不易骤然整根折断，工作可靠。1834年欧洲人奥鲁勃特发明了世界上第一根钢丝绳（光面钢丝绳），1939年建立的天津市第一钢丝绳厂是我国第一家金属制品企业。钢丝绳使用过程中需要承受交变载荷的作用，其使用性能主要由钢丝力学性能、钢丝表面状态和钢丝绳结构决定。钢丝材质包括碳素钢或合金钢，通过冷拉或冷轧而成，钢丝横断面有圆形或异形（T型S型Z型），异形横断面钢丝主要用于密封钢丝绳的生产，具有较高的抗拉强度和韧性，并对钢丝进行适宜的表面处理以满足不同使用环境条件的需求。

钢丝用优质碳钢制成，经多次冷拔和热处理后可达到很高的强度。潮湿或露天环境等工作场所可采用镀锌钢丝拧成的钢丝绳，以增强防锈性能。钢丝绳在各工业国家中都是标准产品，可按用途需要选择其直径、绳股数、每股钢丝数、抗拉强度和足够的安全系数，它的规格型号可在有关手册中查得。钢丝绳除外层钢丝的磨损外，主要因绕过滑轮和卷筒时反复弯曲引起金属疲劳而逐渐折断，因此滑轮或卷筒与钢丝绳直径的比值是决定钢丝绳寿命的重要因素。比值大，钢丝弯曲应力小，寿命长，但机构庞大。必须根据使用场合确定适宜的比值。钢丝绳表面层的磨损、腐蚀程度或每个拧距内断丝数超过规定值时应予报废。