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大跨多塔悬索桥如何逾越长江天堑?

2015年05月29日00:58    来源:科技日报    手机看新闻
原标题:大跨多塔悬索桥如何逾越长江天堑?

  家住汉阳的叶女士以前要去武昌,若碰上限行只能绕行白沙洲长江大桥,通常要半个小时左右,但自从去年年底鹦鹉洲大桥通车后,她开车去武昌方便多了。

  “江城”武汉是被水眷顾的幸运儿,长江和它的最大支流汉水在城内交汇,对武汉市民来说,抬头见桥、出门过桥并不是新鲜事,跨江大桥更是多得一只手数不过来。

  按“出生”年月排名,年轻的鹦鹉洲长江大桥排行第八,但它却创下了多项历史纪录:世界首座主缆连续的三塔四跨悬索桥,世界同类桥梁中跨度最大的三塔四跨悬索桥,武汉第一座8车道跨越长江天堑的桥梁。

  站在红色桥身的鹦鹉洲长江大桥桥头,眼瞅着桥上的车流,长江航道繁忙的水运,不善言辞的中铁大桥勘测设计院总工程师高宗余打开了话匣子:这种桥型是跨江跨河桥梁中能够提供多孔宽大航道最经济、最合理的解决方案,但却存在诸多难题,如何在保证主缆抗滑安全的同时,提供足够的主梁刚度是破解这道世界性难题的突破口。

  从多选到单选

  在鹦鹉洲长江大桥下游约两公里的位置,被称为“万里长江第一桥”的武汉长江大桥承担从武昌、洪山前往汉口、汉阳的过江车流,即使实施单双号限行措施,也已是超负荷运行。

  “随着武汉经济社会发展,过江交通日趋繁忙,主城区桥位资源十分有限和紧张。桥梁设计要综合考虑通航需求、造价经济性等因素。”高宗余回忆,从技术角度考虑,鹦鹉洲长江大桥当时有三种桥型供选择:斜拉桥、悬索桥、拱桥。

  但在论证过程中,一个突出的环境问题被提了出来:规划中的鹦鹉洲长江大桥处在“龟蛇锁大江”的城市主城景观和黄鹤楼的景观视线内,周边景观高度在150米左右,如果选择斜拉桥,近200米高的主塔将与城市景观显得极不协调。此外,再修一座斜拉桥,对已拥有多座斜拉桥的武汉市民来说,难免产生审美疲劳。

  拱桥的弊端也显而易见——跨越能力有限,目前世界上拱桥最大跨度纪录还未超过600米,而鹦鹉洲长江大桥主跨将达850米,采用拱桥方案,不仅不经济,技术上难度也较大,风险较高。

  对悬索桥而言,850米则是一种非常经济的跨度。

  当时悬索桥在武汉城区两江上尚未出现,三塔四跨方案主缆曲线构成的轮廓简洁、轻盈,富有韵律美,高耸的三塔寓意着武汉“三镇”鼎立,桥型经济性较好,施工工艺成熟,技术可行性较高。

  几经论证,悬索桥成为鹦鹉洲长江大桥的最终选择。

  精确算出合适的中塔刚度是关键

  其实,在鹦鹉洲长江大桥通车前,我国已于2012年、2013年通车运营了两座大跨度三塔悬索桥,分别是三塔两跨悬索桥泰州长江大桥、马鞍山长江大桥。

  这两座桥梁的设计师正是高宗余。但这并不意味着在鹦鹉洲长江大桥设计中,可以照搬前面两座桥的技术方案。

  桥梁设计是最复杂的一种土木工程,建房子虽然也很复杂,但房子是朝上走的,桥梁是横着走的,需要跨越、悬空,而且承载的车也是活动的。

  根据当时环境,鹦鹉洲长江大桥因地制宜,边跨也采用了悬吊结构,即三塔四跨悬索桥。但由于鹦鹉洲长江大桥两边连着江滩,受城市地形及建筑影响,边跨较正常值要小,这一变化带来的直接影响是边跨侧缆力与主跨缆力不一致。这给设计提出了挑战。

  为适应结构受力需要,在设计中,高宗余将三个主塔采用了不等高设计,通过增加中塔高度、降低边塔高度(中塔较边塔高18米),巧妙解决了边跨较小、缆力不一致的技术问题,同时增加中塔高度,使其更显挺拔有力。

  悬索桥的主缆好比晾衣绳,主缆跨度大,意味着绳子长度长。但如果在绳子上晾的衣服多,绳子中间下挠就较大,同时也容易断裂。在日常生活中,人们想到一种办法,在绳子中间用木棍支撑一下,这样晾晒的衣服可以多一些,绳子也不那么容易断裂。三塔悬索桥的中塔相当于支撑晾衣绳的中间木棍,其受力非常关键,作用有两个:一是减少主缆下挠;二是减少主缆受力。由于有两个主跨,主缆较为“柔软”,需要在中塔处将主缆紧紧握裹住,不能发生相对滑移,否则会导致塔歪、梁垮。

  这也是设计三塔悬索桥的关键,必须要解决中塔顶主缆的滑移问题。

  此外,高宗余在设计研究中发现,中塔有

  一个非常关键的指标——结构刚度,如果中塔刚度太大,则塔顶偏位很小,主缆容易滑移,中塔及其基础受力大;如果中塔刚度太小,则塔顶偏位很大,对主缆抗滑有利,中塔及其基础受力小,但结构刚度小,会降低行车舒适。

  “中塔的刚度大小要合适,既不能太大,也不能太小。”高宗余总结。

  在解决中塔顶主缆滑移问题的同时,又满足行车舒适性所必须的刚度,要做出科学的设计,考验着设计师的力学知识,而这恰恰是高宗余的长项。

  中国中铁大桥院集团党委书记、副董事长田道明告诉记者,中铁大桥院是我国唯一一家仍在坚持桥梁理论及软件开发的桥梁设计单位。

  上世纪80年代,设计编程还是一项十分前沿的工作,市场上没有现成的软件能买,大桥院便着手自己编程。参加工作之初,高宗余曾边做设计边编程,如今当年编写的程序还在用,并不断完善,以前只能计算小桥,现在可以计算大桥;以前做化简计算,现在可以做详细计算;以前只能做静力,现在可以做动力。

  因地制宜的设计理念

  泰州长江大桥、马鞍山长江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥都是大跨度三塔悬索桥,均以两个1000米左右的跨度跨越长江,结构受力特点上具有一致性,但将三座大桥的结构方案比对后,又可以发现一些不同。

  泰州长江大桥桥位处水位起伏不大,因此中塔为全钢塔,钢结构位于300年一遇水位以上。马鞍山长江大桥、鹦鹉洲长江大桥桥位处最大水位落差大,特别是鹦鹉洲长江大桥桥位处最大水位落差达近20米,因此中塔采用钢—混凝土叠合塔,中塔上塔柱及上横梁为钢结构,下塔柱及下横梁为混凝土结构,钢塔柱根部通过高强度预应力螺杆与混凝土部分连接在一起。

  做出这种设计并非易事。

  高宗余举例说,混凝土有收缩徐变特征,随着时间的增长混凝土会缩短,而缩短后的压力会转移到与它组合的钢材上去。这种力度分配的时程如何?力度多大?大桥院自己编程的软件在这时帮了大忙。

  “我们通过计算,刚度大小均是合适的,上塔柱对变形的适应能力强,可以减小中塔顶两侧主缆的不平衡力,下塔柱提供必要的刚度;受力上三座中塔均为大偏心受压、压弯组合结构,钢结构塔柱很好地适应了压弯组合受力状态。”

  鹦鹉洲长江大桥的建成,将武汉长江大桥从重负中解救出来。

  鹦鹉洲长江大桥连接武昌和汉阳,是武汉二环线的关键性“扣环”工程,大桥通车后,大大完善主城区环网结合的快速路系统,缓解了长江大桥交通压力,加强了武昌、汉阳的均衡发展。在设计之初,该桥被定为快速路,城市快速路是不设人行道的。可在大桥开始施工后,有市民强烈建议在桥上增设观景人行道。最终,大桥增加了人行道,在现场记者看到,目前上桥的步行阶梯和电梯等配套工程正在建设中,预计今年武汉市民可从两岸江滩步行或乘电梯上桥。

(来源:科技日报)



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