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发表于: 2013/11/20 15:27:00

这是一座“云端天桥”——她漂浮在三百多米的高空,当地的居民说,“她离天近、离地远。”

这是一座“富民之桥”——她是长沙至重庆通道吉茶高速公路的控制性工程,架起了东部发达地区与西部云、贵、川渝地区的大通道。

这更是一座“创新之桥”——在悬崖绝壁上,中国桥梁人用创新书写了三项“中国首创”,丰富了山区悬索桥的体系与施工工艺,在世界桥梁史上留下了浓墨重彩的一笔。

这座桥便是位于湖南湘西的矮寨大桥——当今世界跨越峡谷最长的钢桁梁悬索桥。

“我国是一个桥梁大国,但还不是一个桥梁强国。”这一说法在业内流传已久,因为矮寨大桥的诞生,中国向“桥梁强国”再次迈出了坚实的一步。在交通运输部科技司组织的成果鉴定会上,专家们用严谨的字词作出了这样的评价:

“矮寨悬索桥关键技术研究”在新结构、新工艺及风环境现场观测新技术的应用方面作出了一系列探索,成功解决了矮寨大桥设计与施工过程中的诸多技术难题,使我国山区峡谷的悬索桥建设上了一个新台阶,项目成果达到了国际领先水平。

新工艺:轨索滑移法

开创悬索桥施工新方法

面对谷深、路险、地狭的现实条件,要架设8000多吨的钢桁梁,传统架设技术“一筹莫展”,项目发明的“轨索滑移法”,被誉为悬索桥施工具有原创意义的新方法。 


 

矮寨大桥跨越德夯大峡谷,2011年12月正式竣工。如今车行其上,崇山峻岭近在咫尺,车外云蒸霞蔚如临仙境。

如果将时针拔回到2007年,当时几乎所有的人都在疑惑,在如此恶劣的条件下能造桥吗?

这里建设条件之恶劣超乎想象:矮寨大桥主跨1176米,是世界最大跨度的跨峡谷桥梁;桥面距谷底三百多米,高度远超吊装设备适用范围;两岸山势跌宕,悬崖峭立,施工场地极其狭小;浓雾、暴雷天气频繁,峡谷风场复杂……

建设之难,首先难在钢桁梁的架设。在1000多米长、三百多米深的峡谷,重达8000多吨的钢桁梁怎么架设上去呢?

在矮寨大桥之前,常规的钢桁梁架设工艺共有四种。主要是运用比较普遍的跨缆吊机架设法、以中国湖北四渡河大桥为代表的缆索吊装架设法、以日本的明石海峡桥为代表的桥面吊机架设法以及以法国chavanon大桥为代表的荡移法架设法四种方案,但受条件限制,这四种常规架设方案均“一筹莫展”。

经过多次方案研讨与模型比对后,设计师们创造性地提出了大跨度悬索桥加劲梁“轨索滑移法”架设技术,即利用悬索桥自身的永久结构——主缆和吊索作为承重及传力构件,在吊索下端安装水平钢丝绳作为运梁车走行轨道,轨索、主缆与吊索组成空间索网体系,梁段通过运梁小车悬挂于轨索,以坐高空缆车的方式沿轨索从两岸运至安装位置,再起吊就位,完成梁段安装,直至全桥贯通。“打个通俗的比方,就好像让钢桁梁以‘坐缆车’的形式到达预定位置。”

由于是首次运用于特大型桥梁,“轨索滑移法”一经提出,业内专家在惊叹之余也与项目“约法三章”:必须对该法的稳定性、可控性和安全性作进一步论证。

历时三年攻关,2009年,世界首例轨索移梁法模型试验终于取得成功。“轨索滑移法”的架梁工艺,突破了传统,矮寨大桥全桥69个节段、总长1000.5米加劲梁架设任务,仅2.5个月就完成了。而此前世界上还没有一座钢桁梁架设时间能够少于一年的。

“架梁速度提高了十倍!”施工队伍惊奇地感叹道。

专家们评价说,“轨索滑移法”是一项完全具有中国自主知识产权的创造性发明,是改革开放三十多年来中国桥梁技术领域具有“中国首创”意义的原始创新性成果之一。

 

新结构:塔梁分离

实现工程与环境完美融合

结合地形、地质条件,大桥设计创造性地将加劲梁与索塔分离,创造了塔梁分离式悬索桥新结构,填补了相关领域的世界空白。

 

人类在生产实践中,是要高歌猛进地征服自然,还是要小心翼翼地与自然和谐相处?矮寨大桥选择了后者。

在常规的悬索桥设计中,塔与梁是连在一起的。但矮寨大桥需跨越宽约900米至1300米的峡谷,属典型的深切峡谷悬索桥。而大桥索塔分列于两岸山顶,受地质、地形等因素控制,为避开两岸的危岩体、溶蚀裂隙及落水洞等,索塔与悬崖边缘保持了一定距离,约为70至100米,紧邻数百米深的峡谷,两岸索塔相距1176米。如此一来,如果按照传统的悬索桥进行塔梁连接设计,就需要对山体进行大面积开挖,这将破坏当地的生态自然环境。

怎样才能做到既尽可能地保留好山体周边的每一寸林木水草和耕植土壤,又在不增加成本的前提下完成大桥建设,实现“与自然相交融,与历史共辉映,与文化相益彰,与时代共和谐”的大桥设计理念?桥梁建设者们首次提出了“塔梁分离式”悬索桥新结构。

该结构将加劲梁置于山体上,吉首岸加劲梁梁端距离索塔95米,茶洞岸梁端距离索塔109.5米,加劲梁实际长度为1000.5米。该种设计方案与常规单跨悬索桥方案相比,塔梁分离式悬索桥加劲梁长度减少了175.5米,桥面高度降低了50米,索塔高度也降低了50米,边跨主缆长度则减少约270米。这一“塔梁分离”结构,既有效降低了两岸路线高度,大幅度降低了跨两岸山谷的桥梁规模,又减少山体开挖量达67万立方米,最大限度地保护了环境,实现了结构与环境的完美融合,可谓“一举多得”。据统计,新结构节约投资达4800余万元。

“湘西矮寨大桥成为世界上第一座塔梁分离式悬索桥,这也为未来山区悬索桥的建设提供了一种极具竞争力的全新桥型设计模式。”专家们作出了如此评价。据了解,在学科发展方面,通过对“塔梁分离”结构体系的动静力分析、相关参数影响分析、抗风抗震性能研究与模型试验,塔梁分离式悬索桥的受力特性、工作行为及相关性能被一一揭示,填补了塔梁分离式悬索桥研究领域的世界空白,为塔梁分离式悬索桥的发展提供了理论指导及设计经验。

 新技术:“高空悬索吊挂式”观测风环境

  可直接复制的“中国智造”

针对风观测难度大、地形复杂的困境,项目创造性地提出了一种高空悬索吊挂式风环境现场观测系统,可为其他工程直接复制。

为保证桥梁的安全性,需要进行抗风设计,目前国内针对山区大跨度桥梁的抗风设计研究并不充分。采用现场风环境观测是最直接和有效的手段,但由于山区峡谷地形环境恶劣,在矮寨大桥峡谷两岸设置常规的“塔式风观测系统”难以满足要求。

为此,项目创新性地提出了一种高空悬索吊挂式风环境现场观测系统,该系统在矮寨悬索桥上游侧距桥轴80米处架设一根长达1200米的钢丝绳,两端锚固点高出桥面标高80至100米,分别在钢丝绳跨中、四分点布置风速仪,组成了类梯度风观测系统。

通过这一创新,项目准确地掌握了桥址处风环境,特别是桥面高程附近的风特征,并为在深切峡谷山区地形条件下建造的特大跨度柔性结构公路桥梁风环境现场观测提供了一种新技术。

这项同样是中国首创的风环境现场观测技术,可为国内其他地方乃至世界其他国家直接“复制”。