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新知 | 桥梁跨度如何确定?一桥为何两用?中国造杰出桥梁背后的“智慧密码”
2020/07/07 22:04  新华报业网  

  交汇点讯 7月1日,历时6年零4个月建成的沪苏通长江公铁大桥正式通车。全长11072米,主跨度1092米,由48万吨钢材组成,主塔高330米,它是世界首座跨度超千米的公铁两用桥梁。沪苏通长江公铁大桥的开通也意味着从南通到上海仅需1小时6分钟,极大压缩了通行时间。

  跨越江河湖海,承托公路铁路——桥梁,在我们的生活中扮演着重要角色。建造一座桥,从工程可行性研究到施工图设计,少则三五年,多则十几年,其背后凝结着无数桥匠的心血。然而,习惯了使用各种桥梁的人们,却鲜少知道桥梁设计建造中的秘密。桥梁有哪些不同的桥型?桥梁的跨度由哪些因素决定?桥梁涡振是正常现象吗?近日,《科技周刊》记者采访桥梁设计专家为您揭开其中奥妙。

  桥梁形态各异 设计需“因地制宜”

  桥梁设计的重点在于确定桥梁跨度布置和桥型方案,选择合适的材料、装备、施工技术,每座桥梁建设条件不一样,碰到问题及设计难点也不一样。两个桥墩之间的距离通常称为桥梁跨度,它主要根据跨越障碍物(水道、公路、峡谷等)的需要确定。中铁大桥勘测设计院第二设计院副院长、沪苏通长江公铁大桥设计项目负责人张燕飞告诉周刊记者,对于长江上的桥梁,桥梁跨度主要由通航、防洪要求决定。他以沪苏通长江公铁大桥举例,“它的桥址临近长江出海口,航运十分繁忙,通航等级高,船舶吨位大,船舶密度高,是我国航运黄金水道。为保障通航安全和长江黄金水道的航运发展,主通航孔的通航净宽不应小于900米;考虑桥墩附近的紊流宽度,并加上桥墩防撞设施以及桥梁基础本身的宽度,经过精确计算,我们最终确定其主跨为1092米。”

  张燕飞表示,对于主跨超过千米的桥梁,设计上要尤其注意,桥梁既要满足大桥的承载能力和正常使用功能,同时也要充分考虑大桥的抗风、抗震安全,重视大跨柔性桥梁的非线性影响和稳定性安全,设计要合理选择大跨桥梁的结构、材料、施工装备与施工方案。

  从世界现存最早、保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥——赵州桥,到世界最长跨海大桥——港珠澳大桥,各式桥梁形态各异。“选择最合适的桥梁结构形式,从而实现跨越是桥梁结构工程中的难点所在。一般来说,桥梁类型主要有梁式桥、拱桥、刚构桥、斜拉桥和悬索桥等几种桥型,不同款式有不同的特点和优势。”河海大学土木与交通学院桥梁工程研究所教授袁爱民一一进行解说:梁式桥一般用于中、小跨度桥梁,结构简单,施工方便;拱桥一般用于跨度500米以内的桥梁,与其他同跨度桥梁相比,弯矩、剪力、变形较小;刚构桥受力状态介于梁桥和拱桥之间,适用于跨度300米以下桥梁;斜拉桥的受力特点是主塔承受轴力和弯矩,主梁承受弯矩和轴力,斜拉索受拉,由于斜拉索的弹性支承主梁弯矩较小,结构刚度较大,塔柱、主梁、斜拉索的相互配合提高了斜拉桥的跨越能力,因此它适用于跨度400米~1500米之间的桥梁;悬索桥的特点是主缆和吊索受拉,塔柱受压,主梁受弯,锚碇抵抗主缆的水平力,刚度较小,属柔性结构,因此在跨度800米~1500米之间的桥型中具有竞争力,而在跨度1500米以上的桥型中则是一枝独秀。

  公铁两用?人在通行时会感到不适吗

  一座大桥,公路、铁路共用。沪苏通长江公铁大桥正是这样一座公铁两用斜拉桥。为什么会选择这种桥形?对此,张燕飞解释,沪苏通长江公铁大桥主跨1092米,这种跨度的桥型只适用于斜拉桥或者悬索桥。由于桥址江面宽阔,为了保障长江河道河势稳定,江中不能设置锚碇,因此无法采用悬索桥。而斜拉桥是自平衡体系,不需设置锚碇,因此采用斜拉桥桥型比较合适。“沪苏通长江公铁大桥身兼国家干线铁路、城际铁路、高速公路‘三位一体’功能,充分利用了非常稀缺的过江通道资源。”张燕飞说,在一个通道内实现多种交通功能,对于岸线资源宝贵、沿江经济发达的江苏地区,可实现通道资源的集约化利用;另外,对跨江桥梁来说,多功能合建桥梁要比分开来单独建设多座桥梁节省大量工程投资。

  前不久,国内多座桥梁发生异常震动,引起社会关注。为何会出现异常震动?这是正常现象吗?答案是:作为一种人工建筑,桥梁和高楼、电塔等建筑物一样,在汽车、火车、人群、风、地震作用下都会产生位移和振动,这是结构的自然反应。“风荷载作用桥梁断面后,绕流在桥梁断面上形成涡旋,并交替脱落引起振动,这也就是我们所说的‘桥梁涡振’。”袁爱民告诉记者,每座桥在风荷载作用下都会不同程度地产生这种现象。当涡旋脱落引起的振动大于规范限值或人体感知范围(因人而异)时,桥梁振动就会引起舒适度问题,长期大幅振动则会引起疲劳问题。

  而沪苏通长江公铁大桥是否会出现这种情况呢?张燕飞表示,大桥为斜拉桥结构,主梁采用钢桁梁,具有刚度大、结构自重大、结构阻尼比较大、桁梁结构对气流扰动大不易形成大旋涡等特点。经过专门的抗风分析与风洞模型试验,沪苏通长江公铁大桥不致发生由于涡激振动影响桥梁的安全、人体舒适度及行车安全性的问题。

  突破创新 期待更多杰出桥梁工程

  “我国是桥梁大国,近年来修建了很多世界跨径的桥梁。”袁爱民举例说,卢浦大桥是世界上跨度最大的钢箱拱桥,沪苏通长江公铁大桥是世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥,广西平南三桥是世界上跨度最大的钢管拱桥。

  这些年来,中国建桥人不断刷新世界桥梁纪录,无论是新理论、新结构、新材料的研发应用,还是新装备的制造,中国桥梁建设相较以往有较大突破。拥有世界首条海底深埋沉管隧道的港珠澳大桥,在其岛隧工程建设中,隧道沉降平均6厘米左右、对接合龙精度2.6毫米、6公里沉管滴水不漏,为世界提供了“中国标准”;沪苏通长江公铁大桥发展了大跨度铁路桥梁的设计理论,采用三索面三主桁新结构,研发具有世界最高强度的2000兆帕平行钢丝斜拉索、优良韧性与焊接性能的Q500qE高强度新型钢材、研制世界上起吊重量最大的1800t步履式架梁吊机等,均达到国际领先水平。

  随着21世纪我国大型跨江、跨海桥梁的成功建设,我国桥梁建设水平已走在世界前列。然而,桥梁建设只有逗号,没有句号,正如中国工程院院士、桥梁设计专家林元培曾说:“我国是发展中的国家,有长江、黄河,有辽阔的海疆,有大量工程机遇,为桥梁工程师提供了施展才华的平台。桥梁工程师应不断创新,建成更多的杰出桥梁工程,引领我国走向桥梁强国。”长期致力于建筑结构工程领域科研的周绪红院士表示,我们必须继续研究桥梁建设特点,创新体制机制,从根本上提高桥梁建设的创新发展能力。

  交汇点记者 谢诗涵 蒋廷玉

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责编:周莉娜

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