青山长江大桥主塔高得出奇,建成后桥像“漂”在空中

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青山长江大桥一千多米的钢梁中没有横梁支撑,处于“全悬浮”状态。大桥主塔是世界最高A型索塔,又是所有高难度索塔中最为高难的一个,它271米的高度要肩负起252根斜拉索传递来的压力,其中最大一根斜拉索的拉力高达780吨。

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

通常而言,100米以上的建筑就会被称作“摩天大楼”,北京著名的地标建筑,中央电视台总部大楼“大裤衩”的高度也不过234米。

而如今,武汉一座建筑的高度轻松超过了大裤衩,达到了271.5米,成为了几乎全城都看得到的地标。只不过这座建筑并不是一栋住人的大楼,而是武汉青山长江大桥的A型索塔。它的出现刷新了世界上最高A型索塔的纪录。

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(世界最高的A型索塔)

下面我们就来讲讲这座比大楼还高的大桥。

(一)什么是斜拉桥的索塔?

斜拉桥是通过许多条相互独立的斜拉索将主梁直接拉在竖直桥塔上的一种现代桥梁。它由受压的索塔、受拉的斜拉索和受压弯的梁体组成。

由于高强度的斜拉索可以将桥梁分段拉起,而非依靠梁自身的抗弯刚度强行支撑,因此斜拉桥的跨度通常可以做得很大。加之斜拉桥独有的刚度大、抗风能力强等特点,使得斜拉桥成为了当今最流行的桥梁构型之一。

(斜拉桥的结构示意图)

但斜拉桥也有其独特的受力特点。由于斜拉索在拉住桥梁的过程中同时会产生桥面的附加压力,当桥梁过长时,由于斜拉索的倾斜角度更低,因此就会产生更大的附加压力,对斜拉索和主梁都有害处。

这时就必须要加高索塔,让斜拉索的倾斜角度更大,这样才能让桥梁的受力更加合理。武汉青山长江大桥的“摩天索塔”就是在这样的需求下出现的。索塔里虽不住人,但它所要承担的内外部压力可不见得比摩天大楼小。

首先,相比起“腰宽脖子粗”的摩天大楼,出于造价和基础承载力考虑,索塔的宽度往往很小,看起来十分单薄。

但另一方面,它又必须承担得起重量几倍于自身的桥梁自重以及桥上时刻变化的交通荷载。再加上大风、地震力这些“不按套路出牌”的水平力以及水和潮湿空气的腐蚀、船舶的碰撞,索塔要背负着这些压力达到120年的使用寿命,不仅不能发生破坏,也不能发生过大的变形或摆动,这确实不是一件容易的事情。

而青山长江大桥的世界最高A型索塔,又是所有这些高难度索塔中最为高难的一个。它271米的高度,要肩负起252根斜拉索传递来的压力,其中最大一根斜拉索的拉力高达780吨。

(施工中的索塔)

(二)青山长江大桥到底难在哪?

青山长江大桥是武汉的第11座长江大桥。它是一座公路桥,跨江主桥总长4374米,横穿江心小岛天兴洲。

天兴洲以南跨越主航道的桥段为主跨938米、中间不设置任何辅助桥墩的双塔双索面钢箱及钢箱结合梁斜拉桥,是世界第四长跨斜拉桥;跨越北侧副河道的则为钢管混凝土拱桥,由此形成了“一洲两桥”的独特景观。

全桥采用双向十车道高速公路建设标准进行建设,设计时速100公里,桥面宽47米,为长江上最宽的桥梁。

青山长江大桥也是世界跨度最大的全漂浮体系斜拉桥。大桥一千多米的钢梁中没有横梁的支撑,整个梁段均是依靠斜拉索的拉力支撑,处于“全悬浮”状态,亦即整个桥梁与桥墩之间完全无连接,处于相互分离的状态。

这样一来,整座大桥的重量就全部通过斜拉索传到了索塔的塔顶。在地震或飓风到来时,全斜拉桥可以不受桥墩的约束而纵向摆动,避免结构共振,达到抗震消能的作用。当桥梁发生温度变形或正常的徐变变形时,相互脱离的悬浮结构也能避免桥中产生过大的内部应力。

(青山长江大桥通航效果图)

青山长江大桥所采用的A型索塔与大型斜拉桥通常采用的双柱型索塔有所不同。乍看上去,A型索塔确实比双柱型索塔更加美观,但它们的区别可不仅仅体现在美观上。

双柱型索塔之所以被广泛采用,与它本身优异的性能有关。双柱型索塔的两柱放出的斜拉索分别拉住大桥的两侧,受力都分布在同一平面内,加之其立面布置是直上直下的,这样平顺的结构最适合进行构件的模块化生产和爬模施工,误差也最容易得到控制。

然而,H形的结构并不稳固。当高度进一步增大时,双柱型索塔的两根柱在受力上就容易“各自为政”,这对于大桥受力的整体性是不利的。

相比起来,虽然A型索塔的施工难度更高,但它的三角形结构较之于双柱型索塔而言更加稳固。索塔的左右两柱在塔顶处交汇,使得大桥左右两侧斜拉索传来的力在中间交汇,索塔的受力具有了整体性,在如地震这样剧烈外力的作用下,不易发生破坏。

虽然A型索塔并非直上直下的常规结构,而是具有1/9~1/12的斜率,但经过改进的爬模仍然可以进行索塔的自动化施工。索塔的塔柱看起来纤细,但其实并非实心,而是长11米,宽8米,壁厚1.2米的箱形截面。

爬模采用ZMP-100型液压自爬模,每6米一个标准节段进行施工,将整个桥塔分为48个节段。A字形的横梁采用托架法进行施工,与两侧的塔柱同步浇筑。这样一来,仅用580天即可将整个271米高的桥塔修建完成。

青山长江大桥的A型索塔不仅自身坚固,与地层的连接也非常紧密。大桥的基础位于江水当中,而长江中的淤泥质土层十分松软,因此桥塔采用了变截面钻孔灌注桩的基础模式。

采用大直径变截面旋转攥深水基础施工工艺,将60根长94米、直径3米的混凝土灌注桩深深扎在地下,仅用80天就保质保量地完成了施工,将索塔牢固地固定在长江之中。

(三)将工人解放出来的自动爬升模板

现浇混凝土结构的施工都要依赖模板。

施工人员预先扎好钢筋笼,将模板按照设计中混凝土的形状架设好,然后向其中浇筑混凝土。待其硬化成型后,再将模板拆下进行周转,以浇筑下一阶段的混凝土。

在工地上,负责架设模板的工人被称作“木工”,是工地中的技术工种。模板有没有足够的承载能力,会不会漏浆、跑模,构造是否足够简单,模板的周转周期和使用寿命,这些都由木工师傅们的手艺来控制。

(模板施工)

不过,在索塔这样的超高层建筑施工中,再依靠人工来进行模板的拆装,不仅质量无法控制,而且施工效率极低,这时就必须采用自动的爬升模板来进行施工。

它由模板、爬架和爬升设备组成,拥有自动爬升的能力,不需要附加起重设备,可以减少施工场地中起重机械的数量。爬模上还可以自带脚手架或悬挂脚手架,可以让施工人员随爬模进行施工,省去施工中额外的脚手架的架设和拆除工序,提高施工效率。

在建筑施工中采用爬模施工,速度往往可以达到3-5天一层。可以说,“中国速度”是离不开爬模的。

(爬模的施工工艺)

爬模的施工过程乍看上去有些科幻,它会依托于下段墙体进行固定,模版内通常由自动的输送、自动密实成型的泵送混凝土浇筑。待本层混凝土硬化后,液压爬升装置开始工作,将爬架沿着刚刚硬化的墙体爬升到更高一层的位置,再将模板沿着爬架爬升到更高一层,随后重新固定,并开始下一轮浇筑。

整个过程中只需要少数几个工人对爬模及混凝土浇筑过程进行辅助性操作,绝大部分工序都是由模板自动完成的。一个爬升模板可以从底爬到顶,每到一层,建筑就长高一层。

青山长江大桥的A型索塔并非普通大楼那样直上直下,这使得它所使用的倾斜模板难度较之垂直模板更高。

斜墙体的倾角增加了测量定位放线的困难。索塔的墙体厚达1.2米,内部配筋率高于一般大楼,这也给混凝土的浇筑工作带来很大困难。

在索塔墙体倾斜的内侧,爬升模板本身的自重和混凝土重量对模板产生的压力都必须经过精确的计算,并对爬模、支架和连接部件进行妥善的加固。模板的预埋件、螺栓等连接构件都必须进行专门设计,才能支撑得住新拌混凝土带来的巨大压力。

(斜墙液压自爬模示意图)

结语

预计在2019年,耗资56.3亿元的青山长江大桥将会建成通车。它将极大地改善武汉市内的公路交通状况,同时刷新桥梁高度的世界纪录。

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编辑| 史文慧

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