美出新高度!世界第一大有推力钢箱拱桥中国造

subtitle 了不起的中国制造01-07 07:48 跟贴 704 条
拱桥没有桥墩,施工要从两侧开始逐渐修向中间,在这个过程中,两边的拱只要不搭在一起,就相当于是悬在半空中,极其脆弱。官塘大桥更是要将重达5885吨的钢箱拱在空中对接,极具挑战性。

出品 | 网易新闻

作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

现如今,人类的建筑科技已经可以轻易地将大桥的跨度延伸至上千米,依靠坚韧的钢丝和扎实的桥墩,悬索桥和斜拉桥这两种与传统桥梁大相径庭的现代桥梁几乎可以跨越任何大江深谷。

然而,一种传统的桥梁形式——拱桥,却并没有随之消失,而是以一种更加现代化的方式保存了下来,成为了比悬索桥和斜拉桥更加美观、更加稳固的一种桥梁形式。

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传统拱桥

现代拱桥

位于广西柳州市城中区与柳东新区交界处,横跨柳江,全长457米的官塘大桥就是这样一座现代拱桥。

它西接莲花大道,跨越柳江后接柳东新区路网,总投资11.7亿元。它的结构体系被称为“有推力提篮式拱桥”,是全球第一大跨度有推力钢箱拱桥、全球第九大跨度钢箱拱桥。它在水中不设桥墩,整桥主线全长1155.5米,桥面由148根吊索与上方拱座相连。

柳州官塘大桥

(一)现代拱桥是一种怎样的结构?

传统拱桥与现代拱桥从受力模式上讲是完全一致的。

拱形的结构,可以将桥上竖直向下的荷载逐渐传递到两岸,将其中一部分变成水平荷载。两侧的堤岸将拱桥左右夹住,拱桥受到的压力就传递给了两岸。这样一来,拱桥不仅十分稳定,而且在一定范围内是“越压越稳定”。

这就是为什么许多古老的拱桥可以历经千年而不倒。这样的优点,现代拱桥中也照样保留了下来。

拱桥的受力模式

只不过,传统拱桥的建筑材料是砖石等古典材料。它们只能抗压,不能抗拉,而且强度很低。因此,道路只能铺设在桥拱的上方。这一方面严重限制了拱桥的跨径,另一方面也制约了拱的高度。拱太低,它将竖直方向荷载转化为水平力的效率就很低,进而大桥的总承载力也就很低。这就要求桥面必须有一定的高度,这又进一步限制了拱桥的使用。

不过到了现代拱桥这里,这些问题都不再成为问题了。

现代钢材既轻盈,又有很高的力学强度,无论抗压还是抗拉都不在话下,更重要的是,那些用在悬索桥和斜拉桥上的钢丝照样可以用在现代拱桥上。它们的抗拉强度极高,可以达到普通钢材的十倍,传统砖石的数百倍之高。利用这些看似纤细的钢丝,可以将通行的桥面板悬吊在桥拱的下方,桥拱的高度就不再受到限制了,可以尽可能地进行形状优化,使得桥梁的受力达到最佳状态。

现代拱桥还有一个好处,就是不必像悬索桥和斜拉桥那样设置高耸的索塔。这些索塔动辄要上百米高,修建起来极其昂贵,而且索塔通常要坐落在水中才能将大桥的受力优化至最佳。这不仅极大地增加了建筑成本,而且占用河道。

柳江的江面宽约500米,这个跨度采用悬索或斜拉桥并不经济;加之通航河道很是宝贵,若能全部让出来,那就再好不过了。

索塔高耸且坐落于水中的悬索桥

这样看来,提篮式拱桥应用在这里可以说是再合适不过了。大桥可以做到一跨过江,水中不设桥墩,桥梁的承重全部集中于两岸的拱座上。

(二)拱桥的最大挑战如何攻克?

拱桥一旦修建完成,形成整体的拱结构依靠两侧的推力就能够保持稳定。然而,拱桥的修建过程难度却很高。

拱桥的施工要从两侧开始逐渐修向中间,在这个过程中,一直到两侧拱在中间搭接形成整体之前,水平推力都完全无法形成。换句话说,两边的拱只要不搭在一起,就相当于是悬在半空中,极其脆弱。如果两侧的悬臂伸得太长,就会发生过大的形变,以致于无法施工。

要对付这一难题,最好的办法就是预先修好拱桥两端不长的起始段,然后将拱桥最长的中段进行整体顶升,直接将三者合龙为一。将重达5885吨的钢箱拱中段整体向上提升67米,这是整个工程最大的重点和难点。

顶升中的拱桥中段

针对这一重难点工程,工程专门组建了强有力的实施团队,采用具有自主知识产权的OVM液压提升系统顺利完成了此项工程。运用计算机同步控制液压提升技术,通过计算机远程操作、监控16台500吨级提升千斤顶协同作用,将中拱段结构整体提升67米。

整个过程的同步精度达10毫米,就位调整精度达毫米级。整个过程全自动完成,操作人员只需要根据监控指令即可远程操控整个提升过程。

整体提升到位的柳州官塘大桥拱段

经此一战,官塘大桥建设团队的计算机同步控制液压整体提升技术创下了整体提升高度(67.27米)、整体提升重量(5885吨)、提升拱肋跨径(262米)三项“世界第一”的纪录。

除了顶升施工外,建设团队还为官塘大桥提供了多种高质量产品,包括整束挤压式环氧喷涂钢绞线吊索、磁通量传感器索力监测系统、橡胶支座、伸缩缝、临时系杆锚具、桥面吊机等等,都是施工中的高难度工序工艺。

桥拱的合龙对精度要求极高。大桥看起来很大,四百多米长的拱,安装精度却必须要达到毫米级。焊接中错开几个毫米,就会对整个桥拱的受力造成较大的改变,进而危害大桥的安全。

中央拱段与两侧拱段的接口

对精度要求很高的还不仅仅是桥拱,桥拱下面由钢丝悬挂着的桥面板在拼装中也对精度有着较高的要求。

与整体顶升的桥拱不同,桥面箱梁是细分成数百个节段,再依次吊升拼装的。柳州官塘大桥钢箱梁为单箱单室扁平流线型全焊钢箱梁,全桥钢箱梁划分为无索区和有索区钢箱梁,每个节段最大吊重245吨。对于直接悬吊在吊索上的“有索区”梁段,采用2台桥面吊机由水中驳船提升至设计桥位,精调实现就位安装的施工方法;而对于那些两个有索区梁段之间夹着的无索区钢箱梁,则采用双浮吊吊装至拖拉支架上,千斤顶张拉实现钢箱梁滑移就位的施工方法。

钢箱梁都是预先在厂家进行生产成型,随后运到现场进行拼装的。在现场,只需要将桥段吊装到制定位置,再由专业焊工进行焊接即可。这使得其施工进度极快,仅用了短短97天,东西跨越了462米的钢箱梁桥面就修建完成。这种施工方式虽然对生产和安装精度要求高,但却极大地提高了施工效率,大大提前了桥梁的通车时间。

正在进行桥体钢箱梁焊接作业的工人

(三)逃不过的水下施工

拱桥会把竖直的荷载转为水平,通过拱座传递给两侧的堤岸上。根据设计,官塘大桥的拱座分别要承担高达17500吨的水平推力,为世界第一大推力的钢箱拱桥拱座。拱座为钢筋混凝土扩大基础,高达17.6米,上大下小,面积相当于6个篮球场大。

施工中的巨大拱座基坑

虽然官塘大桥水中没有桥墩,但要为顶升桥拱中段做准备,水中施工依然不能少。

顶升桥拱的庞然大物必须保持稳固,这就需要水中墩柱帮忙。水中墩柱共要打桩64根,支撑8个平台。为了稳固,每根桩都要深入岩层8米。根据吊装的需要,每个平台斜向上支出4根大钢管,上部水平形成一个开花状。

整个水中墩各部分加在一起,共计90米。为了在施工中保持正常通航,施工单位在河中间预留了一定宽度,让船只能通过。待施工完成后,所有的水中临时设备都要拆除,留下一个清清白白的河道供人们通航。

官塘大桥的水中施工

结语

2018年11月27日,柳州官塘大桥正式建成通车。官塘大桥是柳州市区第21座跨江大桥,为双向六车道,设计时速达80km/h。建成后,极大地缓解了上下班高峰时段的拥堵,从河东区到达柳东新区驾车时间从原来的40分钟被缩短为了现在的10分钟。柳东新区的经济也借此得到了极大的提振。

它的建成,也标志着中国人攻克了全球最大跨度的有推力钢箱拱桥,在拱桥施工领域夺下第一的宝座。

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编辑| 史文慧

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