连通“海上丝绸之路”的“明珠”——澳门大桥设计创新

图1 澳门大桥项目地理位置

新落成的澳门大桥是澳门半岛与氹仔之间的第四条跨海通道，连接港珠澳大桥口岸人工岛、新城填海A区和氹仔之间的重要交通枢纽（图1）。作为澳门与氹仔之间最靠外的跨海交通通道，该桥全长3.085km，其中跨海段约2.86km，设有两座通航孔桥，分别跨越内港和外港航道。澳门大桥是构建澳门整体交通体系的重要组成部分，按城市快速路标准设计，设计使用寿命为100年。

建设条件、要求和挑战

澳门大桥的设计面临多重挑战，包括桥型方案选择受限、复杂的建设条件，以及高标准的建设要求。首先，大桥的通航孔与航道斜交，经过通航论证，主孔跨径不得小于280m，梁底通航净高不小于30m。为了在确保主桥通航净空的同时，需尽可能减小引桥的纵坡或长度，主梁梁高设定为3.0m。其次，大桥毗邻澳门国际机场，航空限高为 53m，扣除水上通航净空要求后，上部结构高度仅剩约 18m。因此排除了修建斜拉桥和悬索桥的可能性，唯有选择下承式连续钢桁梁桥（图2）。

图2 下承式连续钢桁梁桥型布置

在交通功能需求方面，大桥主线按双向八车道设计，中间两车道设置电单车专用道。工程地处台风影响频繁地区，需研究强风对车辆安全行驶的影响。为了确保在极端天气条件下（八号风球期间）车辆的安全通行，主线范围内还应设置风障，因此还应充分研究风障型式并考虑设置风障后对结构的影响。此外，桥面还需预留给水、再生水、燃气、高压电缆、消防、通讯等多种管线的敷设条件，以满足两岸填海新城区的开发需求。在满足交通通行基本需求的基础上，桥面宽度还需考虑管线走廊的预留空间，以确保过桥管线的运营安全与检修便捷性。为此，大桥的标准桥宽48.4m，最大桥宽达61.6m。

桥址区域复杂的水域环境同样对大桥的设计建造带来了严峻挑战。澳门大桥所跨越的西江干流与外伶仃洋水域交汇处，是从水路进出澳门的主要通道。在桥梁架设过程中，必须确保运营极为繁忙的航道畅通无阻，并同时兼顾桥梁结构与通行船只的安全。在桥梁施工过程中，面对桥位实施条件的复杂多变，需优先采用快速、绿色的施工方法，以提升施工效率、降低环境影响并确保工程质量。

桥梁景观与环境的和谐统一也是设计过程中不可或缺的重要考量。澳门大桥东临宽阔的海域，是从海上进入澳门的门户。因此，该桥不仅要承担交通枢纽的重任，更要与城市风貌相得益彰，成为一道令人瞩目的地标性建筑。

结构设计创新

大跨度桥梁的建造往往伴随着高昂的成本。对于桥梁设计师而言，持续追求结构效率与美学设计的和谐统一，力求最小化自然资源消耗的同时最大化结构性能，无疑是不变的宗旨。在澳门大桥设计连建造项目的投标过程中，投标人需要严格遵循招标文件关于“通航主桥桥型须采用下承式钢桁架桥”的明确要求及既定的边界条件。为了有效应对澳门大桥在设计建造过程中所面临的一系列挑战，笔者跳出既有思路，另辟蹊径，对桥梁设计方案进行了全方位优化调整。

桥梁结构优化

图3 招标方案效果图

澳门大桥（原名澳氹四桥）初步设计文件推荐采用孔跨布置为2×（202.5+280+202.5）m的下承式连续钢桁梁桥方案。该桥梁方案上部结构为全焊接钢结构，主梁采用宽幅钢箱梁，而两片竖直布置的主桁则设置于车行道外侧（图3）。随后，这一方案被正式确定为招标方案。在后续的投标竞赛中，笔者提出了优化方案——汇聚于桥面中央的内倾式钢桁梁与宽幅大展翼钢箱梁组合结构。此方案在维持招标方案的基本形式、结构体系和孔跨布置不变的基础上，仍能确保满足水路通航、航空限高等多重设计约束条件。相较于招标方案，优化方案在以下方面进行了改进——

(1) 主桁位置调整：主桁的位置被调整至电单车道与车行道之间，并内倾8度。这一调整显著缩短了两片主桁的横向间距，使其能够通过顶部的横向联系形成一个稳固的整体结构，从而极大地提升了主桁的横向稳定性。得益于这一改进，桁架的截面尺寸得以缩减，桥梁显得更为轻巧灵动。

(2) 主梁结构优化：由于上部结构整体性增强，主梁可以从原来的矩形断面整体钢箱梁，调整为两侧带横肋的大展翼扁平钢箱梁。这一改进使得中央核心箱室与两片主桁架能够紧密结合以提高结构效率，从而不必再设置全断面底板，由此可以减少焊缝、同时减轻自重、节约钢材。

(3) 吊装稳定性提升：上述调整使得中央箱室与主桁形成了一个更加紧密联系的整体，显著增强了吊装稳定性。在边跨范围内，主梁的两侧悬臂单元可以滞后于主体结构进行吊装。在保证吊重不变的情况下，可适当增加吊装梁段长度，从而有利于缩短施工周期，提高施工效率。

(4) 桥墩结构优化：优化方案将主桁架平移至桥面中部后，原招标方案中对应于两侧桁架而设置的倒梯形框架结构桥墩随之调整为花瓶型独柱式结构。这一优化使得承台及桩基础的布置更加紧凑。由于航道与桥梁斜交，调整为独柱式桥墩后，防撞墩和护桥栏的位置可以适当向航道外侧偏移，从而提供了更优的航道条件。

优化方案主梁典型横断面如图4所示，优化方案与招标方案的对比见图5。

图4 优化方案主梁典型横断面

图5 优化方案与招标方案对比

高强度钢材应用优化

澳门大桥主体结构钢材总质量约10万t，其中主桥钢材量约4.9万t，且全部采用了Q420级或以上的钢材。鉴于航空限高和通航净空的具体要求，桥梁上部结构高度受到了极大限制，这也为主桥通航孔采用高强度钢材创造了必要条件。

原招标方案中，主桥上弦杆计划使用Q690qD钢，而主桁腹杆和主梁则选用Q500qD钢。然而，随着钢材强度等级的提升，一系列问题也随之而来，包括韧性降低、屈强比增大、板厚效应显著、热稳定性减弱以及焊接性能变差等。特别是Q690级钢的焊前预热和焊后保温措施要求极为严格，在工地现场进行焊接连接时难以得到充分保障。

针对这一情况，优化方案在投标方案的基础上结合结构受力分布和构造设计，对高强度钢材的使用范围进行了更合理的调整。具体而言，Q690qD高强钢被限定应用在边跨上弦杆的受压区域，且避免该类钢材的现场焊接；而上弦杆的其他区域以及腹杆则改用Q500qD钢，钢箱梁调整为Q420qD/Q500qD钢（图6）。通过这一系列优化措施，不仅降低了在严苛环境下实施现场焊接的施工难度，还有效提升了工程质量的保障程度。

图6 优化方案主桥上部结构钢材材质示意

结构优化成效

在设计过程中，设计团队在确保工程安全、耐久和适用的前提下，通过精细化设计，实现了工程投资的最大节约。主要成效包括：主桥钢桁架减少用钢3361t，钢箱梁减少用钢301t，引桥和立交钢箱梁分别减少用钢2516t和3287t，桥墩及承台混凝土减少20,994m2，钢筋减少767t。

上述结构优化不仅显著减少了材料用量，显著提升了结构效率，降低了工程投资。此外，材料使用的减少还带来了积极的环境效应，有效降低了碳排放和资源消耗，符合可持续发展的理念。

工程建造方案

澳门大桥的建造方案全面考虑了项目的限制条件和建设需求，整合了陆上大型整体化制造与海上快速施工的方法，将低环境冲击和最小化影响的建造理念贯穿于整个建设过程。

桥梁钻孔灌注桩施工采用全套管跟进、清水成桩工艺，以减少施工对周围水域和生态环境的干扰。桥梁上部结构充分使用模块化预制技术。在工厂完成主体和附属钢结构的制造和组装，以减少现场施工复杂性和工作量、缩短施工周期。主桥边跨钢梁、南北引桥钢梁以及A区互通立交钢梁，均采用了海上浮吊大节段架设方式，以最大限度减小对水域环境的影响。

主桥边跨钢桁梁借助临时支墩分段架设。由于箱-桁组合钢梁断面宽达48.4m，最重节段超过2000t，因此在吊装过程中需使用2200t起重船。主桥边跨分4个大节段制造装船，在浮吊精确对位后焊接梁段然后再安装悬臂翼缘单元块件，以确保施工的高效推进和结构形成过程中的整体稳定性。中跨钢梁的拼装则采用小节段，借助桥面步履式架梁吊机逐节间悬臂拼装直至跨中合龙，以尽可能减少对通航水域的干扰（图7）。

图7 上部结构安装过程

桥梁景观与文化象征

在确保设计理念的先进性与建造技术的可行性并驾齐驱之际，优化方案还重视大桥的景观美学与文化寓意的深度融合，旨在通过精妙的结构，诠释桥梁艺术的魅力，匠心打造一座集实用效能与人文底蕴于一身的地标性桥梁。

澳门大桥，其形态灵感撷取自“水”之柔情与“海浪”之磅礴，生动象征了海纳百川般的包容精神，既展现出温婉柔和之美，又蕴藏着坚韧不拔之力。主桁架起伏的空间曲线，犹如大自然之手轻抚海面，勾勒出波光粼粼、动感十足的大海轮廓，抽象而灵动地传达了海的韵律（图8）。

图8 澳门大桥建成实景

白昼时分，大桥宛若一条白色绸缎，优雅地摇曳于碧海蓝天之间，蜿蜒铺展，引领人们的视线穿越海域，延伸对彼岸的遐想。而当夜幕降临，大桥在璀璨灯光的点缀下，化身为一首悠扬的夜曲，灯光沿着桥体缓缓流淌，每一束光影都仿佛在低语，讲述着海洋的古老传说与现代故事。

澳门自古以来便是镶嵌于“海上丝绸之路”上的璀璨明珠，而澳门大桥就犹如这条横跨广阔海天的白色绸缎，不仅是连接两岸的交通纽带，更穿越了澳门悠久的历史，将过去、现在与未来紧密相连。它不仅是智慧和技术的结晶，更是一座富有象征意义的文化地标，表达了对海的敬意以及对这片土地的深情厚爱。

澳门大桥的建成进一步加强了澳门半岛与氹仔、路环的交通联系，为澳门的繁荣发展注入了新的活力。通过设计优化，大桥实现了绿色施工和节能环保，减少了对通航的干扰，确保了施工安全，同时提升了工程质量和经济效益。在面对严格的限制条件和高标准的建设需求时，独具匠心的解决方案巧妙地协调了功能与美学，体现了技术、人文与环境的高度融合。澳门大桥不仅是现代工程技术的结晶，其优雅的造型也成为澳门城市天际线的重要标志，象征着澳门作为中西方文化交汇之地的独特魅力，树立了创新与可持续发展的新标杆。

（致谢：本项目的设计和建造得到了澳门特别行政区公共建设局、中国土木工程集团有限公司、中国铁建大桥工程局集团有限公司、澳马建筑工程有限公司、奥雅纳工程顾问以及澳门专业顾问有限公司等单位的大力支持。在此，谨向这些单位和所有为项目成功建成作出贡献的同仁，致以诚挚的谢意。）

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2024年 第5期 总第121期

作者 / 赖亚平 邓宇 陈晓虎 等

作者单位 / 林同棪国际工程咨询（中国）有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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