用钢量比“鸟巢”还多2万吨,“川藏第一桥”这样炼成

除了《飞夺泸定桥》里的泸定桥外,在如今的大渡河上还有一座新的“泸定桥”,这就是兴康特大桥,在高海拔、高地震烈度、复杂风场环境下,这座桥是怎样建成的呢?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  在四川甘孜泸定县的大渡河上,有一座兴康特大桥,你或许没有听过它的名字,但你一定听过它的邻居,就是我们都在语文课文《飞夺泸定桥》中学过的那座“泸定桥”。


  (飞夺泸定桥)

  老泸定桥是康熙皇帝为了国家统一和解决汉区通往藏区道路的梗阻而建,始建于清康熙四十四年(1705年),全长103.67米,宽3米,由13根碗口粗的平行铁链构成,桥栏直接由铁链架设,底下并排铁链铺上木板形成桥面,扶手与底链之间用小铁链相连接,各铁链环环相扣。

  在古代,这种设计称得上巧妙,利用铁索优秀的抗拉能力,将大桥的承载力提至最高,同时将桥的自重降至最低,在缺乏现代力学指导的年代,这已经是古人能够达到的最高水准。


  (老泸定桥)

  不过,这座古老的大桥只能走人,不能走车,而且安全性也与现代桥梁无法相提并论。到了现代,古老的泸定桥显然满足不了交通需求,2014年,在大渡桥上游5公里处,人们开始兴建一座“新泸定桥”——兴康特大桥。

  它自东向西横跨大渡河,线路全长1411米,主跨1100米,桥面为双向四车道高速公路,设计速度80千米/小时,总投资额10亿元,是川藏高速公路的重要组成部分。

  如同老泸定桥一样,兴康特大桥在极大地方便了两岸交通的同时,也代表了这个年代桥梁工程的最高水平。

  旧悬索桥到新悬索桥,经历了什么?

  兴康特大桥与泸定桥的受力形式在本质上是一致的,都是“悬索桥”。

  它是通过在两岸固定悬索,利用悬索的抗拉能力来承担起大桥的重量。二者的受力形式从本质上讲都是柔性的,不同点在于,泸定桥是直接将木板铺设在铁索上,而兴康特大桥则是通过索塔悬挂高强缆索,并在缆索下悬挂平面桥板。


  (兴康特大桥)

  兴康特大桥位于大渡河深切峡谷区、构造剥蚀中高山地貌,正处于四川盆地至青藏高原爬升段,桥梁两岸边坡十分陡峭。

  这里地处泸定断裂带和鲜水河断裂带之间,地震活动频繁,且属于典型的高海拔深切U形峡谷地形,峡谷内为典型干热河谷气候,峡底和谷顶温差以及桥位昼夜温差大,影响风场因素多,对桥梁的疲劳设计和施工安全影响大。

  因此,兴康特大桥的建造标准极高,桥位的边坡稳定性是首先要考虑的问题,此外还有抗震、抗风,以及反复无常的疲劳荷载。

  在桥位选择时,设计师们就充分贯彻了“趋利避害、提高抗灾防灾能力”的原则。

  大桥的选址直接避开了泸定西支断裂带、四湾特大型滑坡不良地质的影响,同时兼顾二郎山隧道、泸定电站等关联风险,从抗灾能力角度直接对位于大渡河泸定电站大坝下游、紧邻四湾特大型滑坡的“四湾”桥位予以否决。

  在考虑潜在失稳岩土体规模、防治可行性的定性分析评估基础上,桥址最终选择了现在的咱里高桥位。


  (大桥立面设计图)

  兴康特大桥的承重能力远远强于老泸定桥,因此,其承载重量的斜拉索不能像后者一样简单固定在岸边,而是必须深深贯入岩层中。

  为了保持边坡稳定,固定大桥斜拉索,在大桥的雅安一侧,工程结合地形地质采用了隧道式锚碇。隧道锚碇轴线总长达159米,深基坑嵌入冰碛层覆盖层内,长度为目前世界之最。通过预先开挖深隧道的方式布设锚碇,可以较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对较小,对周边环境的扰动也较小。

  大桥采用反向平曲线设计,将桥端左右两段泸定隧道分离,布置在大桥隧道锚的外侧。一方面极大地减小隧道锚和公路隧道的相互影响,为山区桥隧相连悬索桥总体布置提供一条新思路;另一方面,在隧道与隧道锚之间设置横通道,既作为施工运输通道,加快施工进度,又作为投用检修通道,便于养护。


  都是“铁索桥”,新索与旧索之间有啥不一样?

  悬索桥是一种柔性结构,在车辆、地震及风载等各种荷载作用下,主缆和加劲梁纵、横向均会产生较大的相对位移,而兴康特大桥所在的位置恰恰是中国所有千米级大跨桥梁中地震危险性最高的。

  兴康特大桥的主跨跨中设置了一个铰接式耗能中央扣,这是基于延性的抗震设计理念设计的,首次将防屈曲钢支撑用作中央扣杆件。

  它只承受轴向力,而不产生弯矩,在日常使用状态及小地震发生时,中央扣处于弹性状态,能够为主体结构提供足够的刚度,从而保证结构满足正常使用要求。

  在大地震发生时,防屈曲钢支撑率先进入耗能状态,产生较大的阻尼,耗散地震中大部分的能量,并迅速衰减结构动力反应,使主体结构不出现明显塑性,从而确保主体结构在强震作用下的安全性和正常使用性。


  (耗能中央扣的构造)

  兴康特大桥所使用的钢索是特制钢绞线,强度是泸定桥所用铁链的十倍有余,钢索所用的钢丝为镀锌钢丝,具有高强抗腐蚀能力。

  主缆是整座大桥唯一不会更换的零部件,采取特别抗腐蚀保护,由上万根钢丝组成,外部用涂有防护层的钢丝缠绕,将上万根钢丝锁紧,形成一个密闭空间,尽量隔绝霜雪渗透。

  此外,在锚碇和塔顶架设主缆的位置,设有除湿机、出气孔,不断地往主缆内部输送干燥空气,保障主缆长期不生锈。


  (泸定桥的铁索)


  (兴康特大桥的高强钢索)

  在布设时,采用旋翼无人机牵引先导索跨江,先导索过江后,再用小绳拉大绳、逐渐加重的方式,直至把钢绳拉过河,形成牵引系统,而后架设起施工的道路,进行主缆施工。主缆架设好之后,再以主缆为依托,逐步悬吊起主桥的桥板。

  大桥全桥共有57节钢桁梁,单节段最大吊重达200.5吨,共使用近60万套高强度螺栓,对拼装精度的要求极高。


  (施工中的大桥)

  为了抵抗地震,桥塔太硬也不好

  在建筑物的设计中,并不是越坚固的结构抗震效果越好,有时反而要适当降低建筑物的刚度,让建筑物发生符合工程师预期的变形或破坏,而非“要么不坏,一坏就彻底垮塌”。


  (兴康特大桥的门型塔)

  兴康特大桥的桥塔采用门形塔、钢筋混凝土塔柱,两岸塔高均为188米,在塔顶和桥面处设置横梁,两道横梁之间根据受力需要设置中横梁。

  这种结构形式存在一个问题,就是虽然其抗弯刚度很强,但在地震发生时很容易“宁折不弯”,从而发生剪切破坏。经过多方比较,桥塔采用了波形钢腹板梁与预应力混凝土顶、底板的组合结构。


  (波形钢腹板钢-混组合桥塔横梁构造)

  采用波形钢腹板后,桥塔横梁的抗弯刚度降低了不少,但抗剪能力较强。从专业角度讲,这叫“强柱弱梁,强剪弱弯”,是高烈度震区大跨径悬索桥钢筋混凝土桥塔理想的横向联结方式。在地震发生时,包括桥塔在内的大桥整体结构会发生更加安全可控、易于修复的弯曲变形,而非容易导致整体垮塌的剪切变形。

  不仅如此,结构试验表明,波形钢腹板在小地震、中地震中的表现都十分稳妥。在小震下,结构不发生损伤,可以继续正常工作。在中等地震中,结构会发生可以修复的损伤,但不影响车辆通行,可以将地震损失和修复成本降至最低。大地震中,这种结构的屈服可以至少保障桥上通行车辆的安全,避免人员伤亡。

  结语

  2018年12月31日,兴康特大桥建成,实现了古老大渡河上史无前例的千米级桥梁的跨越,整条雅安-康定高速随着这座控制性工程的完工一并通车。从此,成都到康定的路程被缩短到4小时。大桥两端还拟建专供游客游览的观景平台,方便游人欣赏大渡河上的壮美景色。

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  编辑| 史文慧


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