高橋——杭瑞高速的北盤江大橋(又名尼珠河大橋),位于云南省宣威市普立鄉(xiāng),一個云貴交界處的峽谷之上。
由于中國的三級階梯地勢,山脈和丘陵遍布全國,尤其是西南的貴州、云南等省份,可以說是"地無三尺平"。這些山峰還陡峭,根本沒有修建平直公路的條件,就連普通的盤山公路都很難修。
于是,在復雜的地形、破碎的地質(zhì)條件的逼迫下,中國工程師們積累了大量的橋梁修建經(jīng)驗。
(一)在峽谷上建橋,扛不扛風很重要
北盤江大橋全長1341.4米,橋面到谷底垂直高度565米,相當于200層樓高。在它的幫助下,云南宣威到貴州六盤水的交通時間從原來的5個小時縮短到了1個小時。
它是一座鋼桁架梁斜拉橋。這種橋型與懸索橋一起,并稱為兩種的現(xiàn)代化橋梁。它們都顛覆了人們對于橋梁的傳統(tǒng)認知,不再由橋梁下部笨重粗大的支撐結(jié)構來維持穩(wěn)定,而是靠幾根看似柔弱的鋼索將大橋拉起來。
其中,懸索橋是將兩根粗達一米的鋼索懸掛在大橋兩端的橋塔上,再用較細的拉桿將橋面吊在懸索上組成的。它的施工相對簡便,精度要求也較小。
然而,懸索橋是一種"柔性橋",在面對狂風暴雨、環(huán)境時,它就明顯不夠穩(wěn)固。自1918年以來,已經(jīng)有11座懸索大橋遭受狂風毀壞。考慮到山頂?shù)沫h(huán)境惡劣,北盤江大橋選擇了鋼桁架斜拉橋的結(jié)構形式。
斜拉橋是在主橋塔頂放出斜拉索,斜拉索的另一端懸掛在橋面上,將橋面梁直接拉起而成的一種現(xiàn)代橋梁。它的橋面梁需要承擔斜拉索對其的附加壓力,因此需要采用抗壓能力很強的鋼桁架橋面梁。它較之懸索橋而言更為粗壯,剛度也更大,是一種"剛性橋"。
斜拉橋不需要懸索橋錨碇等大體積結(jié)構的基坑開挖和棄土處理,對環(huán)境影響小,這在交通運輸不便、地質(zhì)條件多變的山區(qū)中有很強的競爭優(yōu)勢。
斜拉橋的斜拉索與橋面梁,都是需要直接受力的結(jié)構,這就為施工提出了更高的工藝和精度要求。
在施工中,剛性梁一些額外的受力與微小的變形都可能使大橋出現(xiàn)安全隱患,而斜拉索的松緊程度也會改變大橋的內(nèi)部應力,從而造成不良影響。因此可以說,斜拉橋是很考驗國家科技水平的一種橋梁。
(二)斜拉橋穩(wěn)不穩(wěn),首先看鋼索
斜拉橋的安全與穩(wěn)定高度依賴于斜拉索。
北盤江大橋的斜拉索呈扇形雙排雙索面布置,斜拉索上端固定在塔柱上,下端錨固于鋼桁架梁上,全橋共有224根斜拉索。"嚇人"的是,斜拉索的直徑只有15.2毫米粗,和人的手指一般。這么細的鋼索,能拉得起這么重的大橋嗎?
事實上,斜拉橋的鋼索用的不是普通的鋼材。一般而言,普通的建筑用鋼強度在200-400兆帕之間,有些高規(guī)格的建筑物會用到460兆帕的高強鋼。而早在2006年,中國就開始專門進行斜拉索用鍍鋅鋼絲規(guī)?;a(chǎn)制造的技術攻關,并在2008年完成了攻關,將斜拉索的抗拉強度提升到了1770兆帕,一舉打破了國外對我們的高價壟斷。
七年過去,北盤江大橋所使用的OVM平行鋼絞線拉索,其抗拉強度已經(jīng)輕松超過了1860兆帕,動載應力幅達250兆帕,遠超國際標準的要求。
普通鋼材與北盤江大橋斜拉索的差距,就像是木材與普通鋼材的差距。因此,這些以一當十的鋼絲雖然細,但是卻能有力地拉起整座大橋,我們絲毫不用擔心。
除了強度外,這些斜拉索還采用了先進的四層防腐體系,由外到內(nèi)分別有HDPE外護套、單根小HDPE護套、油脂涂層與鍍鋅涂層,共同保護著斜拉索,使北盤江大橋的斜拉索擁有遠高于其它一般斜拉索的壽命和安全性。
(三)從設計到施工,全部是"新科技"
北盤江大橋從設計之初就承擔著新科技的探索任務。
從紙面的設計階段開始,北盤江大橋的規(guī)格就非常高,使用了新的科研成果,包括"中縱梁加大次橫梁"結(jié)構體系,提高了結(jié)構受力性能,并通過焊接變形模擬計算分析,確定了正交異性鋼橋面板與鋼桁梁合理的連接構造和工藝。
與"天頂星"的科技水平相對的,是非常惡劣的施工條件。北盤江大橋所處的峽谷處山勢陡峭、施工場地為狹窄,并且常年刮著六級以上大風。這里距離近的小鎮(zhèn)還有二十公里遠,就連施工用水都難以獲得。
為此,工程師們特意為了施工修建了三級泵水系統(tǒng),將江水從山谷的深處泵到了565米高的施工平面上。為了給水泵供電,項目部特意在谷底修建了一個小型變電站,30多個人沿著40厘米的山路耗時一個月才將一噸重的設備搬到谷底。
為了這座大橋,工程師們就這樣一個工程套一個工程,可以說是建立了一整套包括后勤保障在內(nèi)的施工體系出來。
而且,通常來說,斜拉橋的橋面梁是采用"頂推"的方法進行施工的。也就是說,在橋塔架設好之后,將一節(jié)一節(jié)的橋面梁節(jié)段陸續(xù)拼接到橋體上,向斜拉索加力并固定。隨著施工的進行,兩邊的橋面模塊和拉索向中間逐漸推進并終合攏。
但在施工過程中,由于主塔的兩側(cè)施工不會完全同時進行,頂推方案會使得主塔兩側(cè)的重量不平衡,對主塔造成水平推力,進而可能破壞樁基,影響索塔的穩(wěn)定性。因此,工程師們一直在探索比較新的施工工藝。
另外,雖然峽谷深達565米,但峽谷底部的尼珠河卻是條毫無通航能力的小河。橋梁的"積木"——節(jié)段梁通常重達幾百噸,需要一定噸位的船只才能將其運送到現(xiàn)場。
工程部無法利用尼珠河將節(jié)段梁整體運送到拼接位置附近,只能拆成更小的"積木":幾噸至十幾噸的小型結(jié)構構件,再一片一片地運送過來,而在橋上直接拼接結(jié)構構件是一件費時費力、誤差又大的方案。這又給工程帶來了更大的麻煩。
為了一攬子解決所有這些問題,工程師們嘗試著采用了新工藝——鋼桁梁整節(jié)段梁底軌道縱移懸拼工法。
這種工藝是指在施工現(xiàn)場,以強的精度控制水平,將"積木"迅速拼裝成160噸重的節(jié)段組梁,隨后進行整體吊裝。這樣一來,安裝過程迅速,既縮短了工期,又減小了對橋墩的傷害。
這是一種非常新的、同時也非常不成熟的工法,甚至被許多業(yè)內(nèi)的抨擊過。專家們大都擔心這種全新工法的度,還有人擔心施工時新架結(jié)構對舊有結(jié)構產(chǎn)生影響。
這就對施工隊伍的提出了非常高的要求,研究團隊頂住了來自各方的壓力,并通過足尺模型試驗驗證了工法的可行性,將這種方法推行了下去,并且在摸索中也獲得了許多難以言傳的技術細節(jié)。
如今,這一套施工工藝已經(jīng)被寫成了規(guī)范流程,成為了企業(yè)的施工工法。未來其它斜拉橋的建造過程中再遇到這種問題,解決起來只會越來越簡單。