台湾海峡通道桥梁方案的概念设计初探

台湾海峡位于福建与台湾之间，连通南海、东海，是我国最大的海峡。海峡北东、西南走向，长约370km，最窄处宽约130km。海底地形总体平缓，水深具有东深西浅的不对称特征，北部地形走向为NE向，总体呈槽隆相间的格局，最大水深90m；南部相对平坦，走向NS-NNW向，最大水深为68～70m。海峡主体属台西盆地，盆地西邻闽浙隆起，以滨海断裂带为界。历史记载Ms≥5.0的地震为85次，其中Ms=5.0～5.9为55次，Ms=6.0～6.9为23次，Ms≥7.0为7次，最大震级7.5级。总体来看，海峡强震分布具有西强东弱，南强北弱的特点。海峡处于亚热带的季风区，气温常年温和，冬季盛行东北风，特点是平均风速大，大风日数多，盛行期长，如图1。大风主要由热带气旋引起，1949～2003年间，平均每年有2～3次气旋进入海峡，最多时7次，其中超强台风占20%。秋、冬季浪高较大，夏、春季浪高较小，历年最大波高为13.0 m。最大浪高在北部为16m，南部为6.9m。

图1 台湾海峡月平均大风频率图

前期研究主要集中在三条线路上，如图2、图3。通过对各通道方案线路长度、水深、地质、综合交通路网布局、两岸城市区位优势等因素分析对比，形成了北线方案海峡宽度最窄、线路长度最短，海洋地质、水深条件较好，地震影响较小，可先期规划形成北线通道的共识。为此，本文讨论范围仅限于此。

图2 线路图

图3 各线路水深

目前，通道的桥隧之争还停留在宏观层面。隧道方案面临的主要挑战是通风、施工和工期等问题。在深海中建人工岛不仅面临极高的技术风险，而且要付出巨大的经济代价；而桥梁方案，将面临深水基础施工、恶劣气候条件下通行等问题。总之，台湾海峡通道建设将面临着超长线路、深水、强风、强震等挑战。桥、隧方案都存在许多技术问题有待解决。因此，桥、隧方案都应尽早开展研究，做好技术储备。

在桥梁方案中，对主通航孔桥，有些专家推荐采用超大跨斜拉桥方案，认为即使跨径达到2000m，斜拉桥也是合适的；也有专家则主张采用多跨连续布置的超大跨悬索桥方案（≥3000m）。对于深水区的辅通航孔桥梁，除了个别专家认为应该采用超大跨多跨连续悬索桥方案外，大部分专家都认为应该采用大跨斜拉桥方案，但在经济跨径的建议上，观点有所出入。作者于2014年也提出了台湾海峡通道桥梁方案构思，本文在此基础上讨论其概念设计。

台湾海峡通道投资巨大，不可能像杭州湾或长江上那样，几年内修建多条通道。可以推断，在相当长时间内只会有一条通道，所以，大桥的交通功能应该考虑充分。无论是货运还是客运，对于长约130km的运距，公铁运输都是经济合理的，但货运应主要考虑海运。另外，公铁合建比公铁分建经济，通道宜采用公铁合建方案。

海上风速较海岸测得风速高，在冬季（1月）平均风速高达16～22m/s，这对行车安全构成严重影响。在国内外已发生过强风吹翻汽车和火车的事件；另外，日本根据其运营经验得出，当风速达到25m/s时，可导致列车颠覆。所以，桥梁方案应考虑在这种条件下汽车、列车全天候通行问题（仅在极端气候条件下关闭大桥交通）。

技术标准的确定要考虑交通综合布局、投资等众多因素，现阶段本方案作如下考虑——

设计基本风速：根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）附录表A，100年一遇条件下，平潭基本风速为51.2m/s，新竹为39.4m/s，宜兰为61.3m/s。宜兰位于中国台湾省东北部，桥位两端接线点为平潭（大陆侧）和新竹（台湾西北侧）。由于台湾中部高山的阻挡效应，新竹侧100年设计风速小于宜兰，考虑到海上风速较陆地大，现阶段设计基本风速宜以宜兰为准，取61.3m/s，按A类地表状况考虑。

车道数：考虑到短期内，两岸间可能只有一条通道，通行能力不应该在寿命期内（墨西拿海峡大桥按200年设计寿命设计）过早达到饱和；全天候通行要求部分车道相对于外界封闭，由于海峡气候恶劣，汽车有时只能走封闭的车道，所以封闭车道数不能太少；海峡风大，宽桥面对于大跨径桥梁横向受力有利。所以，桥梁方案公路共布置双向10车道（6条开放车道，4条封闭车道），铁路采用客货混跑双线。

设计时速：公路设计时速对总投资影响甚微，但铁路完全不同。列车运行对大桥变形的要求相当严格，设计速度愈高，允许变形愈小，造价必将增高。因此，桥跨超过1000m的主通航孔桥客运列车设计时速宜采用200km/h；对于辅通航孔桥，设计时速可提高到250km/h，这样，有利于提高经济效益和与航空运输的竞争力。厄勒海峡和费恩马海峡桥梁方案客运列车设计时速均为200km/h。

综上，方案技术标准拟定见表1。

台湾海峡一直是一条重要的海上航道。国内，它是连接东海和南海的“海上走廊”；国际上，它是从日本海、琉球群岛海域通向巴士海峡、东南亚的海上捷径，海峡航运繁忙。由于峡宽水深，暂未形成固定航道，习惯航迹带宽度大，超过10km。

台湾海峡海面开阔，其通航要求应高于琼州海峡。现阶段琼州海峡桥梁方案采用了三组主通航孔，一组300000DWT，两组50000DWT。结合造船业的发展趋势，台湾海峡全线宜采用三组主通航孔，一组500000DWT，两组100000DWT；其余桥梁作为辅通航孔通航。相应通航孔尺寸可根据国际桥协提出的“船舶活动域理论”确定，即自由通航安全通航宽度为3.2L（船长），而约束通航可减半为1.6L，具体如表2。

主通航孔跨径的选择要考虑提高经济性，满足通航和结构性能要求。考虑到通航管理的复杂性，本方案暂不考虑限速通航。从表2可以看出，500000DWT、100000DWT自由通航合孔要求的通航孔尺寸分别为3000m、2000m，而分孔通航只需要两个1500m、1000m通航孔，综合考虑海峡自然条件、工程材料、技术水平、经济性等因素，宜采用分孔通航方案。

现阶段可考虑在近大陆和台湾侧各设一个100000DWT通航孔，水深50米左右；海峡中线附近设一个500000DWT主通航孔，水深60米左右，其余桥孔作为辅通航孔，如图4。100000DWT的通航孔采用两个宽1000m并列布置的单向通航孔，500000DWT的通航孔采用两个宽1500m并列布置的单向通航孔。500000DWT的分孔通航桥梁可以有多方案选择，如图5所示。

图4 北线线路通航孔布置

图5 主跨1500m分孔通航桥梁方案

一般情况下，主跨1500m的桥梁，斜拉桥和悬索桥都是可行的。但是从图4可以看出，该桥所在的区间是近60m的连续深水区，在这种条件下采用悬索桥存在深水锚碇的技术、经济问题。悬索桥要通过锚碇将10万吨级的主缆水平力从海平面以上传递到接近60m深的海底，不仅锚碇自身的造价高，而且技术难度也很大。目前，超大跨度悬索桥中，只有丹麦大海带桥和中国伶仃洋大桥将锚碇置于浅水区，尚无深水区建造锚碇的成功先例。

为避开深水锚碇的技术和造价高的问题，最好的方案是采用斜拉桥。根据我们的研究，跨海工程中，主跨小于1400m时，斜拉桥在经济性能、结构刚度、抗风性能及拉索可更换等方面较其他桥型具有优势；在1400～1800m跨度范围内，斜拉桥、岸上锚碇协作体系和岸上锚碇的悬索桥这三种体系有竞争，但随着水深增加，基础、锚碇造价提高，悬索桥和协作体系经济性能逐渐劣化。近年来，苏通大桥、昂船洲大桥、俄罗斯岛大桥、沪通公铁两用长江大桥等千米级斜拉桥相继建成，常泰公铁合建桥也已开建，表明千米级斜拉桥建造技术趋于成熟；而且1500m的斜拉桥已做过抗风研究，因此在本工程中，斜拉桥更有竞争力。为提高结构刚度和经济性能，本方案500000DWT通航孔拟采用分孔通航的主跨1500m斜拉桥，图5a）；100000DWT通航孔拟采用分孔通航的主跨1000m三塔斜拉桥方案，图5b）。

辅通航孔跨径布置须满足经济原则。水深和抗船撞等级的提高，会使下部结构造价增加。采用较大跨径以减少下部结构数量，有利于降低总造价。所以，水越深经济跨径越大。表3给出了4个著名海峡桥梁方案的桥梁跨径。

台湾海峡水深大，对应的桥梁经济跨径相对较大。参考表3和水愈深经济跨径愈大的定性认识，拟定了台湾海峡通道桥梁联络孔桥跨径布置和桥型方案，见表4。

主通航孔的超大跨斜拉桥将面临深水、强震、强风作用和公铁两用与全天候通行需求，因此，设计中高塔、长梁的稳定、结构刚度、钢桥面板疲劳、长索垂度和车道合理布置等，将成为设计中的关键问题。

500000DWT主通航孔采用主跨 1500m的斜拉桥。跨度布置为2×（225+510+1500+510+225）m，如图6。

图6 500000DWT通航孔总体布置

超大跨度斜拉桥结构体系重点要解决其刚度问题。结构横向刚度主要取决于主梁的横向刚度，拉索贡献量较小。因此，横向荷载作用下，斜拉桥受力可视为主梁在过渡墩、辅助墩、桥塔上形成的多跨连续梁，优化主梁截面形式、增设辅助墩可以增大结构横向刚度。而改变塔、墩的横向约束刚度能够改善主梁在约束部位的横向弯矩。

结构竖向刚度主要由塔、梁、索形成的三角体系提供，与塔、梁的连接方式也有关系。提高竖向刚度的措施有：增大斜拉索刚度；设置辅助墩；减小边、中跨比；增大桥塔高度和增强塔梁相互约束。但由于深水桥墩造价高，考虑到经济性，本方案设置一个辅助墩。

结构纵向刚度取决于桥塔的纵向刚度和塔梁纵向约束体系。考虑到单联主通航孔桥长接近3000m，温度效应大，塔梁交接处宜设纵向约束（阻尼装置、弹性约束和纵向限位装置）；主梁在边墩顶宜设置纵向限位装置、梁端转角约束装置，并释放温度效应。

因此本方案结构在竖向：各墩处设置竖向支座,其中边墩、辅助墩设减隔振支座；横向：桥塔墩、辅助墩、边墩设置横向约束装置；纵向：塔墩处设阻尼约束和限位装置，边墩顶设置纵向限位装置、梁端转角约束装置，其余各墩处设活动支座。

主梁选型主要考虑横断面布置满足公铁两用及部分车道全天候通行；提高大轴力作用下主梁稳定性；改善主梁气动外形，减小横风效应等。

本方案拟对平层布置的钢箱梁与分层布置的钢桁梁进行综合比选（图7）。一般情况下，钢箱梁的用钢量要比桁梁小。据统计，诺曼底斜拉桥钢箱梁用钢量：552kg/m ² ，博斯普鲁斯三桥钢箱梁用钢量：723kg/m ² ，而某钢桁梁斜拉桥(6车道+4线铁路)用钢量：1560kg/m ² ；箱梁梁高小，宽度大，使其横向抗弯刚度远大于桁梁，有利于减小横风效应，提高抗风性能，改善高速列车运营的平稳性。而分层布置的钢桁梁，上层布置双向6车道高速公路，下层布置全天候通行的双向4车道高速公路和双线铁路，更利于实现全天候通行。两种主梁都可以安装智能风障，通过实时监测风压，控制风障自动开合，以保证极端横风下结构的安全。风压一旦超限，发禁止通行指令并打开风障。

图7 主梁横断面方案示意

全桥主梁根据轴力大小采用四种标准横断面:①sec_A跨中段定为标准段；②sec_B近塔段，采用增大钢板厚度形成增强截面；③sec_C塔、梁交界段，轴力最大，在增强截面内浇筑UHPC形成组合构件参与整体受力；④sec_D压重段，钢与混凝土组合。

桥塔采用空间四肢锥形桥塔，以提高结构刚度和抗弯能力。全线大部分桥塔基础采用标准沉箱组合基础，标准沉箱先在岸边干船坞施工成形，船坞放水后将沉箱基础浮运就位，下沉接高，形成基础和塔墩。主桥桥塔可以由四个沉箱基础和桥墩组合，在水面以上加设横向联系，形成组合基础整体塔墩共同受力。其他桥梁可以根据需要，用同样的方法由单个或几个沉箱基础组合受力，再在上面进行桥塔施工。桥塔选材应考虑海上高空作业特点，以钢、钢-混凝土（或UHPC）组合预制大构件，现场拼装为备选方案。

图8 沉箱基础施工

斜拉索等效刚度是决定超大跨度斜拉桥整体刚度的关键因素之一。超大跨度斜拉桥外索垂度效应明显、承载效率低，为此，外索可采用 CFRP 组合拉索来提高斜拉索等效刚度。

经初步分析，采用钢桁梁的主通航孔斜拉桥，结构的强度、刚度、稳定性都能满足我国规范要求。

100000DWT主通航孔采用 1000m三塔斜拉桥，塔、梁形式与500000DWT主通航孔相同。跨度布置为（100+350+1000+1000+350+100）m（图5b）。

根据如上分析，辅通航孔桥梁跨径根据水深合理布置。由于辅通航孔桥在台湾海峡通道中占比很大，必须提前对方案的技术经济性进行深入研究。作为概念设计初探，本文提出如下方案：

采用轻型组合梁斜拉桥，布置在70～90m的深水区间，图9为总体布置示意图。边中跨比取0.45～0.5（沪通长江大桥0.440），为增大整体刚度，采用空间四肢锥形桥塔，塔的高跨比取0.28。

图9 总体布置示意图

400～600m跨度桥采用多塔连续组合梁斜拉桥，4～6跨一联，塔、梁形式与主跨一致，与希腊Rion-Antirion桥相似（图10），布置在50～70m的深水区间。        

图10 多塔连续组合梁斜拉桥示意图

200～400m跨度采用多跨连续部分斜拉桥，布置在30～50m的深水区间。大跨连续组合梁桥（跨径≤200m），布置在小于30m的水深区间。横断面设计与部分斜拉桥保持一致。

台湾海峡通道将是中国最大的桥梁工程，也是具有国家统一意义的伟大工程。该通道的建设是两岸同胞实现中华统一的重要组成部分，也是中国桥梁工程界的共同愿望。本文通过对通道功能需求和技术标准的初步分析，提出一些设计构思，以期抛砖引玉。

主要建议可归纳为以下几点：

1.宜用公铁合建的较经济方案，并比选同层和双层布置，以满足经济性和全天候交通的需求。

2.为避免深水锚碇，提高抗风性能，宜采用斜拉桥方案，为此，主通航孔桥采用双向分孔通航方案以减小跨度。

3.提出了标准沉箱组合基础和桥塔采用钢或钢-混组合预制大构件，现场拼装的方案备选。由于海峡水深大部分在60米以上，必须深入研究便于施工且经济性好的深水基础方案，以节约造价，从而提高桥梁方案对隧道的竞争力。

（注：杂志社略去了原文中参考文献十余篇。如有需求，可与杂志社联系。）