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跨越山谷的大桥是怎么建成的?


   高桥——杭瑞高速的北盘江大桥(又名尼珠河大桥),位于云南省宣威市普立乡,一个云贵交界处的峡谷之上。

由于中国的三级阶梯地势,山脉和丘陵遍布全国,尤其是西南的贵州、云南等省份,可以说是“地无三尺平”。这些山峰还陡峭,根本没有修建平直公路的条件,就连普通的盘山公路都很难修。

  于是,在复杂的地形、破碎的地质条件的逼迫下,中国工程师们积累了大量的桥梁修建经验。

(一)在峡谷上建桥,扛不扛风很重要

  北盘江大桥全长1341.4米,桥面到谷底垂直高度565米,相当于200层楼高。在它的帮助下,云南宣威到贵州六盘水的交通时间从原来的5个小时缩短到了1个小时。

  它是一座钢桁架梁斜拉桥。这种桥型与悬索桥一起,并称为两种的现代化桥梁。它们都颠覆了人们对于桥梁的传统认知,不再由桥梁下部笨重粗大的支撑结构来维持稳定,而是靠几根看似柔弱的钢索将大桥拉起来。

  其中,悬索桥是将两根粗达一米的钢索悬挂在大桥两端的桥塔上,再用较细的拉杆将桥面吊在悬索上组成的。它的施工相对简便,精度要求也较小。

  然而,悬索桥是一种“柔性桥”,在面对狂风暴雨、环境时,它就明显不够稳固。自1918年以来,已经有11座悬索大桥遭受狂风毁坏。考虑到山顶的环境恶劣,北盘江大桥选择了钢桁架斜拉桥的结构形式。

  斜拉桥是在主桥塔顶放出斜拉索,斜拉索的另一端悬挂在桥面上,将桥面梁直接拉起而成的一种现代桥梁。它的桥面梁需要承担斜拉索对其的附加压力,因此需要采用抗压能力很强的钢桁架桥面梁。它较之悬索桥而言更为粗壮,刚度也更大,是一种“刚性桥”。

  斜拉桥不需要悬索桥锚碇等大体积结构的基坑开挖和弃土处理,对环境影响小,这在交通运输不便、地质条件多变的山区中有很强的竞争优势。

  斜拉桥的斜拉索与桥面梁,都是需要直接受力的结构,这就为施工提出了更高的工艺和精度要求。

  在施工中,刚性梁一些额外的受力与微小的变形都可能使大桥出现安全隐患,而斜拉索的松紧程度也会改变大桥的内部应力,从而造成不良影响。因此可以说,斜拉桥是很考验国家科技水平的一种桥梁。

(二)斜拉桥稳不稳,首先看钢索

  斜拉桥的安全与稳定高度依赖于斜拉索。

  北盘江大桥的斜拉索呈扇形双排双索面布置,斜拉索上端固定在塔柱上,下端锚固于钢桁架梁上,全桥共有224根斜拉索。“吓人”的是,斜拉索的直径只有15.2毫米粗,和人的手指一般。这么细的钢索,能拉得起这么重的大桥吗?

  事实上,斜拉桥的钢索用的不是普通的钢材。一般而言,普通的建筑用钢强度在200-400兆帕之间,有些高规格的建筑物会用到460兆帕的高强钢。而早在2006年,中国就开始专门进行斜拉索用镀锌钢丝规模化生产制造的技术攻关,并在2008年完成了攻关,将斜拉索的抗拉强度提升到了1770兆帕,一举打破了国外对我们的高价垄断。

  七年过去,北盘江大桥所使用的OVM平行钢绞线拉索,其抗拉强度已经轻松超过了1860兆帕,动载应力幅达250兆帕,远超国际标准的要求。

  普通钢材与北盘江大桥斜拉索的差距,就像是木材与普通钢材的差距。因此,这些以一当十的钢丝虽然细,但是却能有力地拉起整座大桥,我们丝毫不用担心。

  除了强度外,这些斜拉索还采用了先进的四层防腐体系,由外到内分别有HDPE外护套、单根小HDPE护套、油脂涂层与镀锌涂层,共同保护着斜拉索,使北盘江大桥的斜拉索拥有远高于其它一般斜拉索的寿命和安全性。

(三)从设计到施工,全部是“新科技”

  北盘江大桥从设计之初就承担着新科技的探索任务。

  从纸面的设计阶段开始,北盘江大桥的规格就非常高,使用了新的科研成果,包括“中纵梁加大次横梁”结构体系,提高了结构受力性能,并通过焊接变形模拟计算分析,确定了正交异性钢桥面板与钢桁梁合理的连接构造和工艺。

  与“天顶星”的科技水平相对的,是非常恶劣的施工条件。北盘江大桥所处的峡谷处山势陡峭、施工场地为狭窄,并且常年刮着六级以上大风。这里距离近的小镇还有二十公里远,就连施工用水都难以获得。

  为此,工程师们特意为了施工修建了三级泵水系统,将江水从山谷的深处泵到了565米高的施工平面上。为了给水泵供电,项目部特意在谷底修建了一个小型变电站,30多个人沿着40厘米的山路耗时一个月才将一吨重的设备搬到谷底。

  为了这座大桥,工程师们就这样一个工程套一个工程,可以说是建立了一整套包括后勤保障在内的施工体系出来。

  而且,通常来说,斜拉桥的桥面梁是采用“顶推”的方法进行施工的。也就是说,在桥塔架设好之后,将一节一节的桥面梁节段陆续拼接到桥体上,向斜拉索加力并固定。随着施工的进行,两边的桥面模块和拉索向中间逐渐推进并终合拢。

  但在施工过程中,由于主塔的两侧施工不会完全同时进行,顶推方案会使得主塔两侧的重量不平衡,对主塔造成水平推力,进而可能破坏桩基,影响索塔的稳定性。因此,工程师们一直在探索比较新的施工工艺。

  另外,虽然峡谷深达565米,但峡谷底部的尼珠河却是条毫无通航能力的小河。桥梁的“积木”——节段梁通常重达几百吨,需要一定吨位的船只才能将其运送到现场。

  工程部无法利用尼珠河将节段梁整体运送到拼接位置附近,只能拆成更小的“积木”:几吨至十几吨的小型结构构件,再一片一片地运送过来,而在桥上直接拼接结构构件是一件费时费力、误差又大的方案。这又给工程带来了更大的麻烦。

  为了一揽子解决所有这些问题,工程师们尝试着采用了新工艺——钢桁梁整节段梁底轨道纵移悬拼工法。

  这种工艺是指在施工现场,以强的精度控制水平,将“积木”迅速拼装成160吨重的节段组梁,随后进行整体吊装。这样一来,安装过程迅速,既缩短了工期,又减小了对桥墩的伤害。

  这是一种非常新的、同时也非常不成熟的工法,甚至被许多业内的抨击过。专家们大都担心这种全新工法的度,还有人担心施工时新架结构对旧有结构产生影响。

  这就对施工队伍的专业性提出了非常高的要求,研究团队顶住了来自各方的压力,并通过足尺模型试验验证了工法的可行性,将这种方法推行了下去,并且在摸索中也获得了许多难以言传的技术细节。

  如今,这一套施工工艺已经被写成了规范流程,成为了企业的施工工法。未来其它斜拉桥的建造过程中再遇到这种问题,解决起来只会越来越简单。



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