港珠澳大橋建設(shè)中的“天大智慧”

世界矚目的港珠澳大橋24日上午正式開通運營，一橋連三地，天塹變通途。從2009年12月開工建設(shè)到如今正式開通，天津大學(xué)師生校友多人次參與到港珠澳大橋的設(shè)計、建設(shè)施工中，貢獻(xiàn)了“天大智慧”。

10月24日當(dāng)天，全長55公里的港珠澳大橋正式通車。

港珠澳大橋建設(shè)的主體工程包括：跨海橋梁、海底隧道和橋隧連接人工島，其中橋隧連接人工島是港珠澳大橋建設(shè)的關(guān)鍵工程之一。橋隧連接人工島要完成在島內(nèi)干地現(xiàn)澆海底隧道上島段的工作，施工過程中島壁要承受20.26m靜水壓力和5.10m波高的動力作用。島壁在靜水壓力和波浪作用下的穩(wěn)定性和島內(nèi)滲流分析，是橋隧連接人工島建設(shè)要解決的關(guān)鍵問題。中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司承擔(dān)了港珠澳大橋建設(shè)工程橋隧連接人工島的設(shè)計工作，島壁采用沉入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)。沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)是一種新型海岸工程結(jié)構(gòu)，中國尚未制定相應(yīng)的設(shè)計施工規(guī)范。

受中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司委托，天津大學(xué)王元戰(zhàn)教授課題組承擔(dān)了港珠澳大橋建設(shè)工程橋隧連接人工島沉入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及滲流分析工作，解決了波浪作用下軟土強度弱化、沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)破壞過程模擬等科學(xué)技術(shù)問題，對各種荷載工況下橋隧連接人工島沉入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和滲流進(jìn)行了計算分析，為完善人工島設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

港珠澳大橋的海底隧道段由33節(jié)沉管組成，每節(jié)沉管的重量接近8萬噸，相當(dāng)于一艘中型航母的重量，造價達(dá)上億元。沉管在深水塢預(yù)制好后，需通過纜繩與安裝船相連，在合適的波流施工窗口由安裝船拖帶浮運并下沉到施工地點，沉管的安全浮運和沉放是整個工程安全施工的關(guān)鍵。為了協(xié)助設(shè)計施工單位解決這一問題，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院肖忠副教授負(fù)責(zé)的“波流聯(lián)合作用下沉管浮運數(shù)值仿真計算”科研項目，首次建立了安裝船、沉管、纜繩和水體系統(tǒng)的1:1的三維精細(xì)有限元仿真模型，并在計算模型中考慮了水體的黏性和紊流特性及安裝船、沉管、纜繩和水體相互間的耦合作用。深入分析了開挖基槽后及基槽內(nèi)系泊沉管時的流速分布規(guī)律;對基槽內(nèi)沉管的阻力系數(shù)進(jìn)行了深入研究;對波流作用下安裝船、沉管和纜繩系統(tǒng)在系泊和沉放過程中的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及纜繩纜力進(jìn)行了仿真計算，建議了合適的施工窗口，為實際工程中的沉管及沉放駁結(jié)構(gòu)上的合理布纜方式和施工工藝的確定提供了理論指導(dǎo);同時為了使建立的仿真模型能夠更好的服務(wù)于實際工程，課題組赴工程現(xiàn)場對沉管最終的浮運系泊方案進(jìn)行了現(xiàn)場考察，并針對系泊危險工況進(jìn)行了數(shù)值仿真，為保證沉管結(jié)構(gòu)在浮運及沉放過程中的安全施工提供了指導(dǎo)。同時本項目研究成果可為后續(xù)的類似工程提供理論指導(dǎo)，經(jīng)濟效益顯著。

港珠澳大橋的橋墩采用陸上分節(jié)預(yù)制，水上拼接安裝的施工工藝。單個預(yù)制件最大重量達(dá)3510噸，高度超過22m。利用半潛駁船將預(yù)制好的橋墩運輸至施工海域。橋墩浮拖跨距長，海況復(fù)雜惡劣，且橋墩屬于高聳結(jié)構(gòu)，駁運系統(tǒng)整體的重心較高，拖運過程中在風(fēng)浪作用下半潛駁船和橋墩聯(lián)合體的運動響應(yīng)明顯，支撐橋墩的臺車車輪承受巨大荷載。為確保浮拖過程中半潛船及橋墩的安全，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院別社安教授團隊對整個駁運系統(tǒng)進(jìn)行了水動力性能計算、橋墩的拖航穩(wěn)定性分析，在此基礎(chǔ)上提出了橋墩在運輸駁船上的加固穩(wěn)定方案，保證了橋墩的安全運輸。

與此同時，天津大學(xué)多位校友在港珠澳大橋設(shè)計和建設(shè)施工中貢獻(xiàn)力量，攻克了港珠澳大橋設(shè)計及施工建設(shè)中的一個個難題，如解決沉管管節(jié)沉放及“淤積異常”難題;在世界范圍內(nèi)首創(chuàng)鋼圓筒快速沉島多項方案;圓滿完成港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠設(shè)計任務(wù);獨立探索Plaxis3D模擬計算深埋式大直徑鋼圓筒;完成沉管預(yù)制場的軌道設(shè)計任務(wù)等。( 張道正)

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