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这是一座横卧云端的要塞 也是渝湘之间的"明珠"

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网易汽车综合12月14日报道

在中国南方修建高速公路从来都不会一帆风顺。这里山峰林立,地势陡峭,一段100公里的高速公路中有30公里不是在穿隧道,就是在过大桥,再加上南方人口稠密,修好一条高速公路往往能够极大地带动经济发展,为几千万人的生活提供便利。

一条绵延上千公里的高速公路上,往往有几个施工难度非常高、不确定性很大的节点工程,控制着整条高速公路系统的总工期。它修不好,整条路就没有意义,这样的工程叫做“控制性工程”。在联结重庆与湖南一亿多人口的渝湘高速公路上,矮寨特大悬索桥就是这样一个控制性工程。我们现在能够吹着口哨开着车,仅花八个小时就从重庆开到长沙,一定要感谢这座大桥的顺利通车。


矮寨特大悬索桥位于湖南省吉首市矮寨镇境内,于2012年3月建成通车。它是一座双层四车道高速公路、观光通道两用桥梁,横跨德夯大峡谷,主跨长达1176米,是世界最长的跨峡谷悬索桥。大桥的桥面设计标高与谷底高差达335米左右,山谷两侧悬崖距离在900米到1300米之间变化,地形地质条件复杂,施工难度之大闻名全国。

山中修大桥,悬索如何架设?靠飞艇!

悬索桥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。它靠这悬索根“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悬索上。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中,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。

悬索桥虽好,可是该如何将悬索的一端送到对岸呢?这真是一个触及灵魂的问题:要是悬索能够轻易地运送到大桥的另一端,我们也就没有必要修建大桥了嘛!通常的悬索桥施工,施工队会先把一根较轻较细的先导索想办法送到对岸,固定好,再通过这条先导索,把粗重的悬索顺着这条先导索输送过去。


利用船只牵引先导索

对于跨江河的大桥,通常使用船只横跨江河,将先导索牵引到对岸。但矮寨特大桥是一个跨山谷大桥,中间没有河流可供通行,即使是一根一毫米的线头也过不去。因此,可以考虑的只有空中牵引架设法。

空中牵引通常使用直升机进行假设。然而,湘西的大峡谷气候多变,不仅十天九雾,而且风速极大,瞬间最大风速达31.9米每秒,严重影响直升机的安全运行。工程师们最终决定,采用无人驾驶的遥控氦气飞艇施放先导索。这种方法具有施工风险小、抛绳落点准确、高效、环保的优点。


氦气飞艇法施放先导索

不过,氦气飞艇的载重能力非常小,只能引导一根1毫米粗的钢丝线过去,单靠它是不可能经得住直径1米粗的钢悬索主缆的。施工队采用了非常巧妙的办法,步步为营,将钢丝绳逐级放大:先用这跟1毫米的细线吊一根6毫米的钢丝过去,再用6毫米的钢丝吊9毫米的,接着再吊16毫米、22毫米……最终将直径85厘米,分成169股的主缆架设成功。

山谷中的施工空间小,索塔桥梁分开建造

悬索桥的悬索是要搭在桥两端高耸的索塔上的,整座大桥和上面车辆的重力最终都由这两座高塔承担。在一般的悬索桥设计中,桥塔与桥梁相互联结以提高桥梁的稳定性。

但由于矮寨特大桥所处的山体极其陡峭,设计采用了桥隧相连的形式,布置十分紧凑,这使得矮寨特大桥索塔位置距离悬崖边缘仅有不到100米,下面即是数百米高的谷底。如果采用传统的塔梁联结法施工,需要开挖大量的山体。不仅占用工期,而且还有潜在的破坏地质稳定性的可能,造成安全隐患。因此,工程部采用了塔梁完全分离结构,并缩短钢桁桥梁的长度,不仅保障了安全,而且节约了工期和造价。


       然而,采用塔梁分离式结构会使得钢桁梁长度小于主塔中心距,主缆存在无吊索区,出现吊索卸载应力为零的情况,进而使得钢桁梁转角位移大,钢桁梁的上、下弦应力超标。结构设计中有一个常识,就是往往不怕均匀分布的大荷载,而最害怕荷载忽大忽小,应力分布不均,这可能会使结构在最薄弱的地方发生断裂。

       为了应对这一问题,大桥的设计采用了增加竖向锚固拉索方案,在桥面板缺失的部分设置竖向锚固拉索,通过锚固于岩石上的预应力岩锚的拉力代替桥板的重力,将悬索内部的拉力维持恒定。这是在悬索桥的建设中首次使用大型岩锚吊索。大桥的吉首一侧设置了1对岩锚吊索,茶峒一侧则设置了2对。岩锚吊索作为应力调节器,让大桥的主梁始终保持受力平衡的状态。


       为了对岩锚底座进行锚固,工程还首次采用了碳纤维预应力索,将岩锚吊索所受的拉力传至地面岩体上。常规岩锚索预应力筋材通常采用钢绞线,而矮寨大桥经研究试验后,采用了高性能的碳纤维作为预应力筋材。与传统钢绞线相比,碳纤维材料重量更轻、强度更高,尤其具有耐腐蚀的特点。在地下水活动频繁的岩层中,碳纤维预应力索的寿命可以比钢绞线长三倍以上,在桥梁的全寿命周期中提供充分的安全保障。


矮寨大桥的紧凑布置还使得大桥的索塔、锚碇和临近的隧道之间会相互影响,这也可能造成局部的应力集中,进而对山体产生破坏。在施工阶段,隧道开挖、掘进、锚碇与索塔的建设都会对山体的应力产生影响。不过,设计者运用了FLAC-3D岩土工程分析软件建立岩体的本构模型,对山体的整体稳定性进行了分析计算,并采用了必要的加固措施和巧妙的设计改变了区域内的应力分布,保证了山体的稳定和桥梁结构安全。

大桥如何对抗峡谷中的大风?

矮寨大桥所处的峡谷风速极高,这对于柔性的悬索桥来说是非常不利的。在一千多米的尺度上,悬索桥是一种非常轻盈的结构,有很大的变形空间。这种柔性有时是件好事,可以使得悬索桥在内、外力的作用下“宁弯不折”,即使遭遇地震、沉降等自然灾害也不易损坏;但在强风作用下,就很容易发生摇摆、振动,进而危害桥梁安全。矮寨大桥之所以设计成双层,也是为了将桥面设置成刚度较大的钢桁架形式,进而抵抗大风的扰动。

大桥还在桥板中间设置了许多的加劲梁以保证桥面板的刚度。加劲梁的假设采用轨索移梁法,利用大桥的悬索作为轨道,在其下端安装临时吊鞍与水平轨索,再将水平轨索张紧作为加劲梁的运梁轨道,实现由跨中向两端拼装大桥的钢桁加劲梁,施工效率很高的同时,大桥的安全与施工精度也得到了保障。


此外,为了确保大桥的抗风稳定性和安全性,湖南大学风工程试验中心专门围绕该桥的抗风设计问题,制作了1:245的全桥气弹模型,做了系统的计算分析以及风洞试验研究,全面检验了矮寨大桥的抗风性能,确保大桥完全满足抗风设计要求。作为加强,桥面系的上下还分别布置了纵向抗风稳定板。上稳定板与两道内侧防撞栏结合,下稳定板则与主横桁架相连。风洞试验结果表明,稳定板的设置提高了矮寨大桥的气动稳定性能,使得各攻角均满足了颤振检验风速的要求。

考虑到山区风环境极其复杂,桥上还专门建立了远程控制的新型悬索吊挂式风环境观测系统。长期观测资料将充实和修正现有风环境研究结果,不仅可以服务于矮寨大桥工程,而且也给其它山区大桥的抗风设计提供依据,一举多得。

结语

矮寨特大桥的贯通,将内蒙古的包头与广东的茂名连在一起,打通了中国的一大南北通道。大桥本身也在跨径和施工方案上做出了多个世界级创新,成为了世界悬索桥建设史上的一座里程碑。



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