世界第二中国第一的悬索桥,是如何抗17级台风的?

subtitle 了不起的中国制造09-14 06:20 跟贴 2574 条
西堠门大桥主跨1650米,是世界第二、中国第一跨度的悬索桥,它所处的舟山是一个完全以群岛建制的地级市,没有一寸土地在大陆上,受台风影响频繁,大桥采用了世界上尚无先例的分体式钢箱加劲梁,满足了抗风稳定性要求,可抗17级超强台风。

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

从宁波到浙江省的离岛舟山,需要穿过5座跨海大桥,其中技术最高的特大型跨海大桥要属西堠门大桥。

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(一)中国第一悬索桥,能抗17级超强台风

西堠门大桥的主桥为两跨连续钢箱梁悬索桥,主跨1650米,位居悬索桥世界第二、中国第一,其中钢箱梁全长在悬索桥中居世界第一。设计通航等级3万吨、通航净高49.5米,使用年限100年。

舟山位于受台风影响频繁的海域,桥位处水文、地质、气候条件复杂,因此西堠门大桥是世界上抗风要求最高的桥梁之一。

它采用了世界上尚无先例的分体式钢箱加劲梁,满足了抗风稳定性要求,颤振临界风速达到88米/秒以上,可抗17级超强台风。

(二)风高浪急,台风中的离岛如何整合进大陆中?

舟山是浙江省下辖的地级市,位于浙江省东北部,人口116.8万人,与众不同的是,它是一个完全以群岛建制的地级市,没有一寸土地在大陆上。

舟山的港湾众多,航道纵横,是中国屈指可数的天然深水良港,这在浙江这片高速发展的沃土上是一份极其宝贵的资源。可惜由于是离岛,与大陆之间的交通需要依靠原始的船运,岛与岛之间也需要依赖船运。加之舟山附近海域风高浪急,台风多发,船运也很难稳定。因此,舟山优质的港口资源一直难以得到利用。

上世纪90年代起,舟山开始规划大陆连岛工程。舟山共建成跨海大桥20余座,这些大桥横跨于各岛之间,成为海岛经济的生命线。这其中最重要的,就是连接舟山本岛与宁波的西堠门大桥。

(最左侧连接舟山本岛和大陆的长桥就是西堠门大桥)

西堠门大桥位处海峡之中。由于岛屿分布密集,暗礁众多,因此水流复杂,流速极大,这给施工造成了很大的难度,这种施工难度从最开始的先导索架设阶段就存在。

西堠门大桥是一座悬索桥,这是最经典的现代桥梁形式之一。它是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁,它靠这根“粗绳”承力,将桥面本身的重量和交通工具的荷载通过细细的吊索吊在粗绳上。这样,桥面的重力与交通的载荷就沿着这根吊索传到了两端高耸的索塔上,进而传给地面。

悬索结构是一种受力非常科学的结构形式,钢材制成的悬索非常适宜承担拉力,它可以使用最小的自重承载最大的交通荷载,并且桥面板受到的弯矩很小,基本不受跨距的限制。因此,现今的大跨径桥梁多采用悬索桥的形式。

(西堠门大桥结构形式示意图)

从大桥的尺度上看,这根悬索十分纤细;但实际上,这条悬索粗达1米,重达万吨,想要直接张拉在两岸是不可能的。那么,怎么才能将悬索从一侧拉到另一侧呢?

(西堠门大桥的悬索)

这就需要先导索的帮助。

先将一根纤细的先导索吊到对岸,再将一根根更粗的钢索沿着先导索输送过去,最后将钢悬索架设过去。

通常,这根先导索是利用拖轮,或通过海底架设到对岸的。但采用这些方法,要么受天气、风浪等条件影响很大,要么受到海底障碍物,如暗礁的影响很大,并且还要长时间封航,这在舟山海域都是很难做到的。

因此,西堠门大桥的先导索采用了直升机牵引过海的方案,在大量实验研究、操演和资料的基础上,直升机仅用了23分钟,就将先导索布设成功。

这在中国开创了先例,是自主开发完成的成套创新技术,其技术水平和社会经济效益都超过了同样采用直升机布设先导索的日本明石海峡大桥,综合技术水平居世界第一。

(西堠门大桥项目直升机布设先导索)

(三)世界首座分体式钢箱梁悬索桥,抗风细节满分

西堠门大桥所处的海洋环境中,风场紊流强度很高,风强度大,且缺乏规律,灾害性天气频发,每年都要发生几场大台风。为了抵抗这些一年几次的超强台风,西堠门大桥从头到脚都采用了抗风能力最强的设计,尤其是其中采用了能够极大降低颤振的分体式钢箱加劲梁,这在世界上尚属首次。

为了降低风动响应,专家对悬索桥的塔柱断面形式进行了气动选形研究,索塔看似粗壮,但作用在上面的风力实则大得惊人,索塔的风阻系数直接决定了塔基传递给基岩的荷载大小,进而决定了索塔的稳定。

此外,舟山海域复杂的风环境还会造成涡振问题,进一步破坏索塔稳定性。因此,经过反复的实验和数值模拟,人们决定在塔柱断面的角点部位设置凹槽,进而降低索塔风阻,改善索塔抗风性能。

风的动力作用会造成大桥的颤振,而决定大桥颤振的主要是两个因素:主缆和加劲梁。

(双箱加劲梁断面)

其中,大桥箱梁内部的加劲梁的形状和几何尺寸具有决定性作用。工程采用了双箱断面方案,既有很高的技术成熟度,又能最大限度地节约成本,行车舒适性、疲劳寿命和行车安全性也是最优。它能够极大地降低风振响应,将临界响应风速提高到现实环境不可能达到的高度,提高了大桥的稳定性。

大桥的主缆采用强度1770MPa的平行钢丝,力学强度是普通建筑钢材的8倍。工程开工时,这种高强钢丝刚刚实现了国产化,相比起从日本进口,造价可降低200多万美元。

(主缆的平行钢丝布置)

主缆作为不可更换的永久结构,其耐久性决定了整个大桥的使用寿命,而可靠的主缆防护是确保主缆耐久性的关键。西堠门大桥主缆防护构造采用了重防护涂装体系,涂装十分复杂。除了涂装各种防腐材料外,还要在整体表面缠绕细密的镀锌低碳钢丝。

西堠门大桥地处海洋环境,水汽含盐份较多,从紧缆结束至涂装工作完成前,每逢雨天,跨中或锚侧主缆低端位置汇水下滴通常会持续几天。在这种干湿交替环境下,金属构件极易发生电化学作用而腐蚀,对主缆钢丝防护十分不利。

考虑到上述因素影响,在确保工程质量的前提下,西堠门大桥采用“先缠丝,后铺装”的施工工艺,以缩短海洋腐蚀环境下主缆暴露在外的时间,减少雨水和潮湿含盐空气对钢丝内部的腐蚀、减少吊索涂装对桥面铺装的污染。

而缠绕钢丝则为主缆钢丝提供保护,它在主缆外表面构成一个具有足够压力的套箍,将两索夹之间的钢丝夹紧,以保持主缆的空隙率最小,同时通过缠绕钢丝内外防护涂层隔绝大气环境,保证主缆的涂装防护效果。

除了主索外,连接主索与桥面箱梁之间的吊索也需要进行减震。由于这些吊索较细,在风力作用下更容易发生震荡,对于长细轻柔的多索股结构,其风振动形式主要表现为索股间互相碰撞和索段相对运动。除了传统的改变吊索表面形状、减小风力作用外,工程师们还基于理论分析和风洞试验,确定了分隔器减震方案。

这样可以在同样的激励条件下减小振动响应,防止吊索相碰,可以将振动平均分配给各个索股,有效减小单一索股的过大振动。

实验结果表明,安装分隔器后,吊索的碰索现象不再发生,吊索的各阶振动均明显减小,各阶减振率达55%~95%。

结语

2009年12月25日,西堠门大桥建成通车。西堠门大桥是全长50公里的舟山连岛工程的一部分,整个工程完工后,舟山交通完全融入长江三角洲高速公路网络,有力推动了宁波-舟山港口一体化进程,终结了舟山作为一个离岛的历史。如今,宁波-舟山港货物吞吐量已位居全球第一。

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编辑| 史文慧

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