(a)

設計比賽 - 香港特別行政區路政署於二○○○年舉行了一個國際橋樑設計比賽。該冠軍作品簡潔明快的美學特色受到了高度評價。比賽的冠軍設計方案被選為“參考方案”,該方案在詳細設計過程中得到了進一步的優化發展。

   
(b)

風洞試驗 -正如所有大跨度橋樑的設計一樣,空氣動力學方面的考慮因素要求設計中進行大量的分析和風洞試驗研究如下:

   
 

1:80 標準節段模型試驗

該試驗用于研究主樑截面的渦激振動響應特性和穩流風作用下的風力系數。導流板的作用和不同的主樑邊緣幾何形狀對主樑結構響應的影響也進行了測試。該試驗在丹麥海洋技術學院(Danish Maritime Institute)進行。

 

1:20 節段模型試驗

該試驗的目的是檢驗由上述1:80節段模型試驗的結果而採納的主樑截面的氣動力特性。模型尺寸加大後,可以更準確地模擬截面形狀和確定導流板的位置。該試驗在加拿大國家研究中心(National Research Council of Canada)進行。

 

橋塔氣彈模型試驗

該試驗的目的是研究橋塔的渦激振動響應特性和確定必要的措施以降低其振動幅度到可接受的程度,從而儘量減小導致拉索振動的風險。該試驗採用了一個1:100的橋塔氣彈模型,作為研究橋塔在不同風場狀況下的動力響應。試驗也是在丹麥進行。

 

拉索測試

拉索是大橋的重要部份且直接受到風和雨的荷載作用之下。它將在以下兩方面對大橋造成影響 :

- 拉索的阻力系數直接反映在大橋的水平承載力中。

- 在風和雨綜合作用下產生的大幅度振動可能導致拉索套件的磨蝕和疲勞破壞,並影響橋面交通。

 

 

全橋氣彈模型試驗

全橋氣彈模型試驗用于測試湍流風作用下橋樑的抖振響應和顫振及馳振失穩的可能性。橋樑及其週圍地形都進行了模擬,橋樑成橋後和部份施工狀態下的風載響應都在澳洲墨爾本的蒙納什大學進行了測試。

   
(c)

湍流強度測量 - 作為昂船洲大橋設計的一部分,需要考慮的關鍵因素之一就是大橋將要承受的風荷載。為確定風荷載,我們已透過風洞測試和實地測量對大橋所處地點的風況進行徹底研究。

設計昂船洲大橋的結構時必須瞭解大橋所處地點的具體風荷載。為此,我們在八號貨櫃碼頭的一邊進行了實地測量,以收集有關風速、風廓線和湍流的資料,同時還進行了地形模型風洞測試,以補充實地測量數據,並將範圍延伸至九號貨櫃碼頭的一邊及八號與九號貨櫃碼頭之間的區域。

   
 

地形模型測試

大橋附近的地形複雜,包括開放水域、山脈和建築區域等。為了確立大橋所在地的大氣湍流特徵,並將不同地點、不同風向的風數據關聯起來,我們根據昂船洲大橋四周地形地貌建立了一個 1/1500 比例的模型,然後進行風洞地形模型測試。地形區域覆蓋大橋擬建地點方圓約 9 至 10 公里的範圍。

 

實地測量

為了測量大橋所在地的風況,我們實地測量了風湍流強度。實地測量的目的是測量大氣風速、風向和湍流,從而取得大橋所在地附近區域的垂直平均風廓線、水平平均風偏差角和單點頻譜資料。實地工作包括建造 50 米高的桅杆結構,並在地面以上 30 米和 50 米處安裝風力計、氣壓計、濕度計和溫度計,同時需要配備數據記錄儀和分析儀。桅杆結構靠近日後在八號貨櫃碼頭的橋塔位置。

   
(d)

海事項目 -

淨空高度要求
昂船洲大橋將位於來往葵涌貨櫃碼頭的繁忙航道入口,橫跨藍巴勒海峽。為預留足夠的通航淨空給下一代超級貨櫃輪船通過,大橋最低拱腹水平定為73.5米(主水平基準)。這也使昂船洲大橋的主樑成為世界上最高的主樑之一。

領航模擬工作坊
其中一個設計上的關鍵因素是確保船隻在大橋施工期間通行無阻,特別須要關鍵控制的因素是主樑節段從海峽上空進行吊裝時的通航要求。主要貨櫃船進入港口由香港領港會有限公司(HKPA)的領航員引導。在2001年7月舉辦了一個領航模擬工作坊,並特地邀請了領港會的領航員參與,方便他們熟悉大橋施工期間的種種限制。在工作坊期間,領航員用實時模擬軟件,模擬大橋主樑節段吊裝時船隻進出不同泊位的情況。

船隻碰撞試驗
由於主塔基礎和現有的8號貨櫃碼頭及擬建的9號貨櫃碼頭海堤僅有小於10米的距離,船隻碰撞在設計昂船洲大橋時是一個須要考慮的重要荷載狀況。模擬船隻碰撞時泥土與結構間的相互作用的研究利用了一個1:200比例的船頭及海堤模型放在容器內進行離心機試驗。容器放置在一個調校好的離心機內以相當於200倍重力加速度(200g)旋轉。

   
(e) 詳細設計 - 我們設計大橋時採用了先進電腦軟件,以模擬大橋在施工時和全面啟用後的各種荷載條件下所表現出的特徵。我們模擬了每個施工過程,還模擬了由風環境、潛在地震事件和各種交通荷載模式所引起的複雜效應。此外,我們還利用整座大橋的通用模型來確定所造成的影響。這些數據會在重要階段更新,以反映隨設計演進而出現的最新資料。為了確定大橋不同部位的應力分佈及補充通用模型的結果,我們使用了非常詳細的局部有限元模型。此外,我們也進行了嚴格的驗證,以確定所有結構件的安全性和性能並符合法定的設計標準。
 
   
(f) 昂船洲大橋的詳細設計過程是在保持大橋外觀特色的前提下對"參考方案"進行的優化和發展。
對"參考方案"的主要改進有:
 
取消塔樑固接的結構形式以減小主樑最大懸臂施工時和成橋後在塔上引致的扭矩。
   
改用橫向支座和縱向液壓緩衝器聯系橋塔和主樑的結構體系,橫向支座主要用於控制水平風荷載,液壓緩衝器用於控制動力荷載的短期效應比如風和地震荷載效應。
   
大橋的拉索選用平行鋼絲索取代密封鋼絲索。
   
將主樑底部的完全曲線型轉為曲線與直線的組合。
   
將原方案中塔上部118米的一段鋼截面改為鋼和混凝土之組合截面, 組合截面擁有較大的剛度和阻尼。

(g) 風況和結構健康監測系統(WASHMS) - 為了監測大橋對風荷載、溫度荷載、公路荷載和地震荷載等不同荷載條件的反應,昂船洲大橋將安裝風況和結構健康監測系統。感應系統(SS)可收集現場的各種資料,然後將信號發射至中央控制組件加以儲存和分析。