横跨420米宽度仅4米,世界最长人行索桥这样建成

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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

  在山东的沂蒙山天蒙旅游区有这样一座人行索桥,它是迄今为止世界最长、跨度最大的人行索桥,其跨度达420米,比第二名的日本九重梦悬索桥还多30米。桥型方案综合考虑了保护资源与利用地形条件,将大桥充分融入当地优美的自然环境中。

  人行索桥仅需走人,不必过车,听起来好像比普通的大桥容易许多。然而实际上,人行索桥也有自身的技术难题需要解决。

  

横跨420米宽度仅4米,世界最长人行索桥这样建成


  (一)身材太“瘦弱”,如何不被大风吹跑?

  相比起一般通行车辆的悬索桥,人行索桥的载重量和宽度都远远更低。

  一条双向六车道的悬索桥宽度通常在25-30米,相应地,一条一千米左右的悬索大桥的长细比就是30-40倍。人们对这一长细比大桥的设计和施工经验都很丰富,早就熟练掌握了它们的抗震、抗风和震动规律,可以轻松应对各种恶劣状况。

  但是,沂蒙山人行索桥的主梁宽只有4米,人行道宽2.4米,整座大桥的长细比达120倍。从宏观尺度上来看,大桥就像是一根柔软的绳子,自振周期达4.8秒,这意味着它很容易会被一些不大的侧向力,如山谷的风、中小型地震造成很大的变形。

  

横跨420米宽度仅4米,世界最长人行索桥这样建成


  (除了桥板上面的吊索外,桥板下的抗风索也是重要结构)

  为了让这条结构力学意义上的“软绳”保持稳定,除了一般悬索桥的吊索外,工程师们还在桥梁的两侧设置了向下拉的抗风索。


  抗风索的存在使得桥梁结构始终处于绷紧状态,当侧向力到来时,将其及时抵抗掉,让结构不会随着侧向力的反复施加而跟着一起大幅震动起来,始终维持稳定。

  为了进一步改善结构抗风性能,桥的纵梁和桥面板高度的位置还设置了风嘴。这样一来,山谷间的大风可以在桥缝中穿过,降低桥梁受到的风力。

  (二)横跨巨大的V形山谷,如何提高抗震性能?

  在大地构造上,沂蒙山位于华北断块区东南的鲁西断块内,横跨沂沭断裂带,这是一条宽缓的,走向扭曲畸变的梯度带,断裂切割深度直达地壳的底部。它从第三纪末期一直到今天一直保持着间歇式的差异上升运动,控制着断块内的地震活动。

  根据历史记载,近场区内曾发生过多次破坏性的地震,给工程所在地造成了5-6度的影响。在1668年,这里甚至发生了一次烈度高达10度的地震。

  索桥连接沂蒙山望海楼和玉皇顶两个山峰,横跨巨大的V型山谷,山谷的自然条件十分复杂,它特殊的地形不仅会汇聚风力,而且会增大地震响应。当桥两端的山峰在地震中的位移发生不同步时,桥梁所受到的地震力会比安置在地表的建筑大得多。

  

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  (沂沭断裂带的区域地质简图)

  不仅如此,复杂的场地条件还会使得地震动的峰值在空间分布上有较大的变化,桥梁两端的两座山峰的地质参数还各不相同,这给大桥的抗震设计造成了更大的难题。

  设计者们对大桥两端的地震反应谱进行了专门的研究,并对桥的抗震性能进行了更加严格的保守设计,最终按照百年一遇的抗震能力确定了大桥的设计参数。

  

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  (悬索桥跨越山谷的示意图)

  悬索桥的桥面受力结构由工型钢制成的横梁和纵梁交叉组成,中间用X型角钢进行加劲,上面铺设10公分厚的混凝土板,与钢结构纵梁通过高强螺栓连接。采用这种结构形式,在保障强度的同时大幅降低了桥体结构的重量,进而降低了桥梁受到的地震力,提高了抗震性能。


  (三)比大风和地震更糟心,山地上的金属索桥如何防雷击?

  相比起大风和地震,沂蒙山索桥还要面临一个更加频繁的麻烦事:雷击。

  桥塔的高耸结构和大量金属材料使其原本就很容易遭受雷击,而由于山地对气流的抬升作用以及气流过山时产生的背风波都极易触发雷暴,进一步增加了大桥遭受雷击的概率,在索桥附近,平均每平方公里每年有4.73次闪电直击地面。如果不采取雷电防护措施,频繁的雷击很容易令大桥受损,造成严重的损失。

  最容易遭到雷击的就是高耸的索塔。经过计算,索塔需要至少四支避雷针进行防护。与此同时,经过系统地布置,索塔内的钢筋也可以作为暗敷避雷带。避雷针及避雷带均利用专设引下线与接地网相连,避雷针预埋件与索塔内钢筋可靠连接,以保障避雷设施整体导电性良好,同时不破坏桥梁整体形貌和功能。

  对于同样易于遭受雷击的大桥金属主缆,工程师们在上方架设了避雷带,并让它直接与悬挂桥面板的吊索相连,使避雷结构同时可以与金属桥体连接,随后在索塔处进行接地。

  在避雷带和吊索、桥面系以及桥面护栏等一切金属构件之间,都通过焊接、螺栓等方式有着良好的电气导通。除利用索塔内部的钢筋作为自然接地线之外,还专门另设了两根专设的接地线,确保大桥防雷万无一失。

  沂蒙山索桥的防雷设计,因地制宜地选择了合理的设计方案,在满足桥梁整体防雷性能的同时,尽最大可能利用了桥梁本身内部的导体,保证大桥长期稳定、安全、可靠地运行。

  

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  (大桥的所有金属结构都进行了电气连通,形成了等电势体,防止对人造成伤害)

  (四)拉起全桥的锚碇,要想防开裂该如何散热?

  锚碇是悬索桥中的重要结构,整座大桥的重量都是通过吊索传递到悬索上,由悬索承担的。因此,悬索则必须由一个重得足以拉住整个大桥的锚碇固定在两侧的岸上。

  沂蒙山索桥的锚碇就是这样一个纵向长度15米、横向长度10米、高10.6米的巨大混凝土块。为保证错礎抗滑移的安全性,基底还设置了纵桥向的斜坡。


  

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  (大桥玉皇顶一侧所用锚碇的有限元模型)

  锚碇是一种典型的大体积混凝土。它的横截面尺寸较大,使得散热相对困难,因此很容易发生温度应力裂缝,造成混凝土破坏。锚碇的破坏会导致悬索桥的主缆松动,威胁大桥安全。

  为了防止锚碇混凝土的开裂,工程师们对锚碇内部的温度场进行了计算机模拟。经过计算,工程师们发现,对锚碇进行分段浇筑,并控制每层的浇筑厚度不超过0.7米,可以有效加快混凝土散热,降低混凝土内部温度,同时降低混凝土的拉应力,防止出现温度裂缝。

  为了进一步加快锚碇的降温过程,人们还采取了冷却水管降温的方式,在锚碇中布设冷却水管,通入冷却水将混凝土中的热量带走。此外,还通过增加混凝土中矿物掺合料的方式降低温升,并向其中加入了聚丙烯纤维来增大混凝土的抗裂能力,使混凝土即使发生些许收缩,也不会发生开裂。

  这些措施取得了很好的效果,有效保障了锚碇的施工质量。

  

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  (右下方巨大混凝土体为锚碇)

  结语

  2016年7月,沂蒙山人行索桥建成投入使用。大桥的建成不仅避免了游客穿过深达143米的娄子沟,节约40分钟的行程,而且还为游人带来了绝无仅有的观景平台。层峦叠翠,风光秀丽,立于桥上,美景尽收眼底。

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