臺灣海峽位于福建與臺灣之間,，連通南海、東海,，是我國最大的海峽,。海峽北東、西南走向,，長約370km,，最窄處寬約130km。海底地形總體平緩,，水深具有東深西淺的不對稱特征,，北部地形走向?yàn)镹E向，總體呈槽隆相間的格局,，最大水深90m,；南部相對平坦,，走向NS-NNW向，最大水深為68～70m,。海峽主體屬臺西盆地,，盆地西鄰閩浙隆起，以濱海斷裂帶為界,。歷史記載Ms≥5.0的地震為85次,，其中Ms=5.0～5.9為55次，Ms=6.0～6.9為23次,，Ms≥7.0為7次,，最大震級7.5級?？傮w來看,，海峽強(qiáng)震分布具有西強(qiáng)東弱，南強(qiáng)北弱的特點(diǎn),。海峽處于亞熱帶的季風(fēng)區(qū),，氣溫常年溫和，冬季盛行東北風(fēng),，特點(diǎn)是平均風(fēng)速大,，大風(fēng)日數(shù)多，盛行期長,，如圖1,。大風(fēng)主要由熱帶氣旋引起,，1949～2003年間,，平均每年有2～3次氣旋進(jìn)入海峽，最多時7次,，其中超強(qiáng)臺風(fēng)占20%,。秋、冬季浪高較大,，夏,、春季浪高較小，歷年最大波高為13.0 m,。最大浪高在北部為16m,，南部為6.9m。

圖1 臺灣海峽月平均大風(fēng)頻率圖

前期研究主要集中在三條線路上,，如圖2,、圖3。通過對各通道方案線路長度,、水深,、地質(zhì),、綜合交通路網(wǎng)布局、兩岸城市區(qū)位優(yōu)勢等因素分析對比,，形成了北線方案海峽寬度最窄,、線路長度最短，海洋地質(zhì),、水深條件較好,，地震影響較小，可先期規(guī)劃形成北線通道的共識,。為此,，本文討論范圍僅限于此。

圖2 線路圖

圖3 各線路水深

目前,，通道的橋隧之爭還停留在宏觀層面,。隧道方案面臨的主要挑戰(zhàn)是通風(fēng)、施工和工期等問題,。在深海中建人工島不僅面臨極高的技術(shù)風(fēng)險,，而且要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價；而橋梁方案,，將面臨深水基礎(chǔ)施工,、惡劣氣候條件下通行等問題?？傊?，臺灣海峽通道建設(shè)將面臨著超長線路、深水,、強(qiáng)風(fēng),、強(qiáng)震等挑戰(zhàn)。橋,、隧方案都存在許多技術(shù)問題有待解決,。因此，橋,、隧方案都應(yīng)盡早開展研究,，做好技術(shù)儲備。

在橋梁方案中,，對主通航孔橋,，有些專家推薦采用超大跨斜拉橋方案，認(rèn)為即使跨徑達(dá)到2000m,，斜拉橋也是合適的,；也有專家則主張采用多跨連續(xù)布置的超大跨懸索橋方案（≥3000m）。對于深水區(qū)的輔通航孔橋梁,，除了個別專家認(rèn)為應(yīng)該采用超大跨多跨連續(xù)懸索橋方案外,，大部分專家都認(rèn)為應(yīng)該采用大跨斜拉橋方案,，但在經(jīng)濟(jì)跨徑的建議上，觀點(diǎn)有所出入,。作者于2014年也提出了臺灣海峽通道橋梁方案構(gòu)思,，本文在此基礎(chǔ)上討論其概念設(shè)計(jì)。

交通功能與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

功能需求

臺灣海峽通道投資巨大,，不可能像杭州灣或長江上那樣,，幾年內(nèi)修建多條通道?？梢酝茢啵谙喈?dāng)長時間內(nèi)只會有一條通道,，所以,，大橋的交通功能應(yīng)該考慮充分。無論是貨運(yùn)還是客運(yùn),，對于長約130km的運(yùn)距,，公鐵運(yùn)輸都是經(jīng)濟(jì)合理的，但貨運(yùn)應(yīng)主要考慮海運(yùn),。另外,，公鐵合建比公鐵分建經(jīng)濟(jì)，通道宜采用公鐵合建方案,。

通行條件

海上風(fēng)速較海岸測得風(fēng)速高,，在冬季（1月）平均風(fēng)速高達(dá)16～22m/s，這對行車安全構(gòu)成嚴(yán)重影響,。在國內(nèi)外已發(fā)生過強(qiáng)風(fēng)吹翻汽車和火車的事件,；另外，日本根據(jù)其運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)得出,，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到25m/s時,，可導(dǎo)致列車顛覆,。所以,，橋梁方案應(yīng)考慮在這種條件下汽車、列車全天候通行問題（僅在極端氣候條件下關(guān)閉大橋交通）,。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定要考慮交通綜合布局,、投資等眾多因素，現(xiàn)階段本方案作如下考慮——

設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）附錄表A,，100年一遇條件下,，平潭基本風(fēng)速為51.2m/s，新竹為39.4m/s,，宜蘭為61.3m/s,。宜蘭位于中國臺灣省東北部,，橋位兩端接線點(diǎn)為平潭（大陸側(cè)）和新竹（臺灣西北側(cè)）。由于臺灣中部高山的阻擋效應(yīng),，新竹側(cè)100年設(shè)計(jì)風(fēng)速小于宜蘭,，考慮到海上風(fēng)速較陸地大，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)基本風(fēng)速宜以宜蘭為準(zhǔn),，取61.3m/s,，按A類地表狀況考慮。

車道數(shù)：考慮到短期內(nèi),，兩岸間可能只有一條通道,，通行能力不應(yīng)該在壽命期內(nèi)（墨西拿海峽大橋按200年設(shè)計(jì)壽命設(shè)計(jì)）過早達(dá)到飽和；全天候通行要求部分車道相對于外界封閉,，由于海峽氣候惡劣,，汽車有時只能走封閉的車道，所以封閉車道數(shù)不能太少,；海峽風(fēng)大,，寬橋面對于大跨徑橋梁橫向受力有利。所以,，橋梁方案公路共布置雙向10車道（6條開放車道,，4條封閉車道），鐵路采用客貨混跑雙線,。

設(shè)計(jì)時速：公路設(shè)計(jì)時速對總投資影響甚微,，但鐵路完全不同。列車運(yùn)行對大橋變形的要求相當(dāng)嚴(yán)格,，設(shè)計(jì)速度愈高,，允許變形愈小，造價必將增高,。因此,，橋跨超過1000m的主通航孔橋客運(yùn)列車設(shè)計(jì)時速宜采用200km/h；對于輔通航孔橋,，設(shè)計(jì)時速可提高到250km/h,，這樣，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益和與航空運(yùn)輸?shù)母偁幜?。厄勒海峽和費(fèi)恩馬海峽橋梁方案客運(yùn)列車設(shè)計(jì)時速均為200km/h,。

綜上，方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)擬定見表1,。

總體方案概念設(shè)計(jì)

通航孔設(shè)置

臺灣海峽一直是一條重要的海上航道,。國內(nèi)，它是連接?xùn)|海和南海的“海上走廊”；國際上,，它是從日本海,、琉球群島海域通向巴士海峽、東南亞的海上捷徑,，海峽航運(yùn)繁忙,。由于峽寬水深，暫未形成固定航道,，習(xí)慣航跡帶寬度大,，超過10km。

臺灣海峽海面開闊,，其通航要求應(yīng)高于瓊州海峽?，F(xiàn)階段瓊州海峽橋梁方案采用了三組主通航孔，一組300000DWT,，兩組50000DWT,。結(jié)合造船業(yè)的發(fā)展趨勢，臺灣海峽全線宜采用三組主通航孔,，一組500000DWT,，兩組100000DWT；其余橋梁作為輔通航孔通航,。相應(yīng)通航孔尺寸可根據(jù)國際橋協(xié)提出的“船舶活動域理論”確定,，即自由通航安全通航寬度為3.2L（船長），而約束通航可減半為1.6L,，具體如表2,。

主通航孔跨徑與橋型

主通航孔跨徑的選擇要考慮提高經(jīng)濟(jì)性，滿足通航和結(jié)構(gòu)性能要求,?？紤]到通航管理的復(fù)雜性，本方案暫不考慮限速通航,。從表2可以看出,，500000DWT、100000DWT自由通航合孔要求的通航孔尺寸分別為3000m,、2000m,，而分孔通航只需要兩個1500m、1000m通航孔,，綜合考慮海峽自然條件,、工程材料,、技術(shù)水平,、經(jīng)濟(jì)性等因素，宜采用分孔通航方案。

現(xiàn)階段可考慮在近大陸和臺灣側(cè)各設(shè)一個100000DWT通航孔,，水深50米左右,；海峽中線附近設(shè)一個500000DWT主通航孔，水深60米左右,，其余橋孔作為輔通航孔,，如圖4。100000DWT的通航孔采用兩個寬1000m并列布置的單向通航孔,，500000DWT的通航孔采用兩個寬1500m并列布置的單向通航孔,。500000DWT的分孔通航橋梁可以有多方案選擇，如圖5所示,。

圖4 北線線路通航孔布置

圖5 主跨1500m分孔通航橋梁方案

一般情況下,，主跨1500m的橋梁，斜拉橋和懸索橋都是可行的,。但是從圖4可以看出,，該橋所在的區(qū)間是近60m的連續(xù)深水區(qū)，在這種條件下采用懸索橋存在深水錨碇的技術(shù),、經(jīng)濟(jì)問題,。懸索橋要通過錨碇將10萬噸級的主纜水平力從海平面以上傳遞到接近60m深的海底，不僅錨碇自身的造價高,，而且技術(shù)難度也很大,。目前，超大跨度懸索橋中,，只有丹麥大海帶橋和中國伶仃洋大橋?qū)㈠^碇置于淺水區(qū),，尚無深水區(qū)建造錨碇的成功先例。

為避開深水錨碇的技術(shù)和造價高的問題,，最好的方案是采用斜拉橋,。根據(jù)我們的研究，跨海工程中,，主跨小于1400m時,，斜拉橋在經(jīng)濟(jì)性能、結(jié)構(gòu)剛度,、抗風(fēng)性能及拉索可更換等方面較其他橋型具有優(yōu)勢,；在1400～1800m跨度范圍內(nèi)，斜拉橋,、岸上錨碇協(xié)作體系和岸上錨碇的懸索橋這三種體系有競爭,，但隨著水深增加，基礎(chǔ),、錨碇造價提高,，懸索橋和協(xié)作體系經(jīng)濟(jì)性能逐漸劣化。近年來，蘇通大橋,、昂船洲大橋,、俄羅斯島大橋、滬通公鐵兩用長江大橋等千米級斜拉橋相繼建成,，常泰公鐵合建橋也已開建,，表明千米級斜拉橋建造技術(shù)趨于成熟；而且1500m的斜拉橋已做過抗風(fēng)研究,，因此在本工程中,，斜拉橋更有競爭力。為提高結(jié)構(gòu)剛度和經(jīng)濟(jì)性能,，本方案500000DWT通航孔擬采用分孔通航的主跨1500m斜拉橋,，圖5a）；100000DWT通航孔擬采用分孔通航的主跨1000m三塔斜拉橋方案,，圖5b）,。

輔通航孔跨徑與橋型

輔通航孔跨徑布置須滿足經(jīng)濟(jì)原則。水深和抗船撞等級的提高,，會使下部結(jié)構(gòu)造價增加,。采用較大跨徑以減少下部結(jié)構(gòu)數(shù)量，有利于降低總造價,。所以,，水越深經(jīng)濟(jì)跨徑越大。表3給出了4個著名海峽橋梁方案的橋梁跨徑,。

臺灣海峽水深大,，對應(yīng)的橋梁經(jīng)濟(jì)跨徑相對較大。參考表3和水愈深經(jīng)濟(jì)跨徑愈大的定性認(rèn)識,，擬定了臺灣海峽通道橋梁聯(lián)絡(luò)孔橋跨徑布置和橋型方案,，見表4。

主通航孔橋梁概念設(shè)計(jì)

主通航孔的超大跨斜拉橋?qū)⒚媾R深水,、強(qiáng)震,、強(qiáng)風(fēng)作用和公鐵兩用與全天候通行需求，因此,，設(shè)計(jì)中高塔,、長梁的穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)剛度,、鋼橋面板疲勞,、長索垂度和車道合理布置等，將成為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題,。

主通航孔橋梁設(shè)計(jì)

500000DWT主通航孔采用主跨 1500m的斜拉橋,?？缍炔贾脼?×（225+510+1500+510+225）m，如圖6,。

圖6 500000DWT通航孔總體布置

結(jié)構(gòu)體系

超大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)體系重點(diǎn)要解決其剛度問題,。結(jié)構(gòu)橫向剛度主要取決于主梁的橫向剛度,，拉索貢獻(xiàn)量較小,。因此，橫向荷載作用下,，斜拉橋受力可視為主梁在過渡墩,、輔助墩、橋塔上形成的多跨連續(xù)梁,，優(yōu)化主梁截面形式,、增設(shè)輔助墩可以增大結(jié)構(gòu)橫向剛度。而改變塔,、墩的橫向約束剛度能夠改善主梁在約束部位的橫向彎矩,。

結(jié)構(gòu)豎向剛度主要由塔、梁,、索形成的三角體系提供,，與塔、梁的連接方式也有關(guān)系,。提高豎向剛度的措施有：增大斜拉索剛度,；設(shè)置輔助墩；減小邊,、中跨比,；增大橋塔高度和增強(qiáng)塔梁相互約束。但由于深水橋墩造價高,，考慮到經(jīng)濟(jì)性,，本方案設(shè)置一個輔助墩。

結(jié)構(gòu)縱向剛度取決于橋塔的縱向剛度和塔梁縱向約束體系,?？紤]到單聯(lián)主通航孔橋長接近3000m，溫度效應(yīng)大,，塔梁交接處宜設(shè)縱向約束（阻尼裝置,、彈性約束和縱向限位裝置）；主梁在邊墩頂宜設(shè)置縱向限位裝置,、梁端轉(zhuǎn)角約束裝置,，并釋放溫度效應(yīng)。

因此本方案結(jié)構(gòu)在豎向：各墩處設(shè)置豎向支座,其中邊墩,、輔助墩設(shè)減隔振支座,；橫向：橋塔墩,、輔助墩、邊墩設(shè)置橫向約束裝置,；縱向：塔墩處設(shè)阻尼約束和限位裝置,，邊墩頂設(shè)置縱向限位裝置、梁端轉(zhuǎn)角約束裝置,，其余各墩處設(shè)活動支座,。

主梁選型

主梁選型主要考慮橫斷面布置滿足公鐵兩用及部分車道全天候通行；提高大軸力作用下主梁穩(wěn)定性,；改善主梁氣動外形,，減小橫風(fēng)效應(yīng)等。

本方案擬對平層布置的鋼箱梁與分層布置的鋼桁梁進(jìn)行綜合比選（圖7）,。一般情況下,，鋼箱梁的用鋼量要比桁梁小。據(jù)統(tǒng)計(jì),，諾曼底斜拉橋鋼箱梁用鋼量：552kg/m2,，博斯普魯斯三橋鋼箱梁用鋼量：723kg/m2，而某鋼桁梁斜拉橋(6車道+4線鐵路)用鋼量：1560kg/m2,；箱梁梁高小,，寬度大，使其橫向抗彎剛度遠(yuǎn)大于桁梁,，有利于減小橫風(fēng)效應(yīng),，提高抗風(fēng)性能，改善高速列車運(yùn)營的平穩(wěn)性,。而分層布置的鋼桁梁,，上層布置雙向6車道高速公路，下層布置全天候通行的雙向4車道高速公路和雙線鐵路,，更利于實(shí)現(xiàn)全天候通行,。兩種主梁都可以安裝智能風(fēng)障，通過實(shí)時監(jiān)測風(fēng)壓,，控制風(fēng)障自動開合,，以保證極端橫風(fēng)下結(jié)構(gòu)的安全。風(fēng)壓一旦超限,，發(fā)禁止通行指令并打開風(fēng)障,。

圖7 主梁橫斷面方案示意

全橋主梁根據(jù)軸力大小采用四種標(biāo)準(zhǔn)橫斷面:①sec_A跨中段定為標(biāo)準(zhǔn)段；②sec_B近塔段,，采用增大鋼板厚度形成增強(qiáng)截面,；③sec_C塔、梁交界段,，軸力最大,，在增強(qiáng)截面內(nèi)澆筑UHPC形成組合構(gòu)件參與整體受力,；④sec_D壓重段，鋼與混凝土組合,。

主塔和基礎(chǔ)

橋塔采用空間四肢錐形橋塔,，以提高結(jié)構(gòu)剛度和抗彎能力。全線大部分橋塔基礎(chǔ)采用標(biāo)準(zhǔn)沉箱組合基礎(chǔ),，標(biāo)準(zhǔn)沉箱先在岸邊干船塢施工成形,，船塢放水后將沉箱基礎(chǔ)浮運(yùn)就位，下沉接高,，形成基礎(chǔ)和塔墩,。主橋橋塔可以由四個沉箱基礎(chǔ)和橋墩組合,，在水面以上加設(shè)橫向聯(lián)系,，形成組合基礎(chǔ)整體塔墩共同受力。其他橋梁可以根據(jù)需要,，用同樣的方法由單個或幾個沉箱基礎(chǔ)組合受力,，再在上面進(jìn)行橋塔施工。橋塔選材應(yīng)考慮海上高空作業(yè)特點(diǎn),，以鋼,、鋼-混凝土（或UHPC）組合預(yù)制大構(gòu)件，現(xiàn)場拼裝為備選方案,。

圖8 沉箱基礎(chǔ)施工

斜拉索

斜拉索等效剛度是決定超大跨度斜拉橋整體剛度的關(guān)鍵因素之一,。超大跨度斜拉橋外索垂度效應(yīng)明顯、承載效率低,，為此,，外索可采用 CFRP 組合拉索來提高斜拉索等效剛度。

經(jīng)初步分析,，采用鋼桁梁的主通航孔斜拉橋,，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度,、穩(wěn)定性都能滿足我國規(guī)范要求,。

100000DWT主通航孔采用 1000m三塔斜拉橋，塔,、梁形式與500000DWT主通航孔相同,。跨度布置為（100+350+1000+1000+350+100）m（圖5b）,。

輔通航孔橋梁及引橋

根據(jù)如上分析,，輔通航孔橋梁跨徑根據(jù)水深合理布置。由于輔通航孔橋在臺灣海峽通道中占比很大,，必須提前對方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入研究,。作為概念設(shè)計(jì)初探,，本文提出如下方案：

多跨輕型組合梁斜拉橋

采用輕型組合梁斜拉橋，布置在70～90m的深水區(qū)間,，圖9為總體布置示意圖,。邊中跨比取0.45～0.5（滬通長江大橋0.440），為增大整體剛度,，采用空間四肢錐形橋塔,，塔的高跨比取0.28。

圖9 總體布置示意圖

多塔連續(xù)組合梁斜拉橋

400～600m跨度橋采用多塔連續(xù)組合梁斜拉橋,，4～6跨一聯(lián),，塔、梁形式與主跨一致,，與希臘Rion-Antirion橋相似（圖10）,，布置在50～70m的深水區(qū)間。

圖10 多塔連續(xù)組合梁斜拉橋示意圖

深水聯(lián)絡(luò)孔橋和近岸段梁橋

200～400m跨度采用多跨連續(xù)部分斜拉橋,，布置在30～50m的深水區(qū)間,。大跨連續(xù)組合梁橋（跨徑≤200m），布置在小于30m的水深區(qū)間,。橫斷面設(shè)計(jì)與部分斜拉橋保持一致,。

結(jié)語

臺灣海峽通道將是中國最大的橋梁工程，也是具有國家統(tǒng)一意義的偉大工程,。該通道的建設(shè)是兩岸同胞實(shí)現(xiàn)中華統(tǒng)一的重要組成部分,，也是中國橋梁工程界的共同愿望。本文通過對通道功能需求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的初步分析,，提出一些設(shè)計(jì)構(gòu)思,，以期拋磚引玉。

主要建議可歸納為以下幾點(diǎn)：

1.宜用公鐵合建的較經(jīng)濟(jì)方案,，并比選同層和雙層布置,，以滿足經(jīng)濟(jì)性和全天候交通的需求。

2.為避免深水錨碇,，提高抗風(fēng)性能,，宜采用斜拉橋方案，為此,，主通航孔橋采用雙向分孔通航方案以減小跨度,。

3.提出了標(biāo)準(zhǔn)沉箱組合基礎(chǔ)和橋塔采用鋼或鋼-混組合預(yù)制大構(gòu)件，現(xiàn)場拼裝的方案備選,。由于海峽水深大部分在60米以上,，必須深入研究便于施工且經(jīng)濟(jì)性好的深水基礎(chǔ)方案，以節(jié)約造價,，從而提高橋梁方案對隧道的競爭力,。

（注：雜志社略去了原文中參考文獻(xiàn)十余篇,。如有需求，可與雜志社聯(lián)系,。）

本文刊載 / 《橋梁》雜志 2023年 第4期 總第114期

作者 / 肖汝誠 項(xiàng)海帆

作者單位 / 同濟(jì)大學(xué)