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創造三項「世界第一」,瀾滄江特大橋到底牛在哪?

創造三項「世界第一」,瀾滄江特大橋到底牛在哪?

原標題:創造三項「世界第一」,瀾滄江特大橋到底牛在哪?

在世界橋樑界有著這樣一句話:世界橋樑建設20世紀70年代以前看歐美,90年代看日本,21世紀看。目前,「橋樑」已經成了的一張亮麗名片和彰顯綜合國力的重要符號。

世界上最受矚目的超級工程之一的港珠澳大橋、世界首座主纜連續的三塔四跨懸索橋——武漢鸚鵡洲長江大橋、當今世界上最長的跨海大橋——青島海灣大橋.....還有創下三個「世界之最」的瀾滄江特大橋。

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2016年11月15日,瀾滄江特大橋鋼管拱實現高精度合龍,一舉創下三項「世界第一」建橋紀錄:

瀾滄江特大橋採用「二次豎轉」工法施工,在世界建橋史上尚屬首次;

「二次豎轉」角度之和達130度,其豎轉角度在世界上最大;

同時,大橋單邊豎放重量達2500噸,此前國內最大豎放重量只有800噸,這也是世界橋樑施工之最。

(圖示將「豎轉角度世界之最」歸結在「二次豎轉」中)

這樣的大橋可不是一朝一夕就能完成的工程,建設單位和工程師們可謂「煞費苦心」,因為瀾滄江特大橋有著太多的技術難題。

難點一:環境惡劣,天氣預報甚至毫無參考價值

說起瀾滄江,想必我們還記得地理課本里的知識:瀾滄江是湄公河上游在境內河段的名稱,是西南地區的大河之一,世界第七長河,亞洲第三長河,東南亞第一長河。

而瀾滄江特大橋就是橫跨瀾滄江兩岸的大橋,位於橫斷山脈西段,全長528.1米。這是大理至瑞麗鐵路大保段的「咽喉」工程,設計時速為140公里。大橋橫跨瀾滄江特大橋橋址處地面標高為1175-2379米,相對高差約1204米。

(大橋地處V形深溝峽谷地帶)

1、風場「變幻無常」,抗風設計不能亂套用

瀾滄江特大橋地處雲貴高原西緣的V形深溝峽谷地帶,不僅橋樑中部風場與兩側坡面處的風場不一樣,而且橋位處風場也與大橋周邊風場存在著明顯的差異。所以,橋位附近地區的氣象站資料一般都不能真實地反映橋位區的風場特點,而且地勢多變的山區地形也無法歸類為規範定義中的任何一類地貌。

因而,已有的關於風特性參數的模型未必適用於瀾滄江特大橋的抗風設計。如果一味套用,是會「搞出問題」的。所以,施工單位就必須對當地的氣候、風速、風向等情況做非常全面的測量,以掌握第一手數據資料。

2、地質災害頻繁發生,工程進度緩慢

除了要面對峽谷大風,施工人員還要面對各種地質災害。瀾滄江峽谷,屬亞熱帶河谷型濕潤氣候,夏秋多雨,春冬季乾燥,全年中6-10月份為雨季,雨季降水豐富,各類地質災害也時有發生。

然而這樣複雜的環境,大橋施工地周圍三地的天氣預報沒有一個是能夠參考的,這也導致大橋建設的第一年時間裡施工進度非常緩慢。

面對複雜的環境,工程師們不得不建立了眾多現場風速測量點和天氣預測設施,同時還要結合肉眼天象觀測,積極排查地質災害點。在有了一年的施工經驗,以及氣象、地質、風速數據之後,施工才逐步進入正軌。

難點二:高空作業還要「抗10級大風」

前面說了風場,峽谷的風不僅「變幻無常」,還很「強悍」。陣風強烈、頻繁,湍流強度大,非平穩特性突出,這對橋樑結構非常不利,山區橋樑風致振動響應明顯有別於其他地區的橋樑。

而且陡峭的山勢對流過的風還有加速作用,經過實地測量,瀾滄江特大橋全年季風時間佔一半以上,年平均風速12 .4m/s,相當於6級風,最大風速超過26 m/s,也就是10級風的水平。10級風是什麼概念呢?在平時這個風速已經可以拔起大樹,摧毀普通建造物了。更糟心的是,峽谷地帶風向還不定,難以捉摸。

風速過大會有什麼危害呢?這裡就以美國塔科馬海峽弔橋為例。該橋在建成通車后數個星期,橋面便開始出現上下擺動。在大橋建成4個月後,塔科馬海峽弔橋因大風引發的擺動而倒塌,倒塌時經過橋面的風速為19m/s。(當然,這也怪當時橋樑鋪的不夠厚)

塔科馬海峽弔橋橋身出現極具破壞性的左右扭動共振

這是對建成之後橋樑的影響,大風也給橋樑施工帶來很多麻煩。比如在吊裝鋼結構的過程中,大型鋼構建的結構越重,往往截面也越大,風阻也隨之水漲船高,空中行為不易受控制。大質量的兩片鋼構件空中一旦發生撞擊,不僅有可能損傷建築材料,還有可能對施工人員的生命安全造成威脅。

此外,橋面距水面270多米,加上是峽谷地帶,瀾滄江特大橋的施工中大多屬於高空作業,風險很高。

1、鋼結構要先「變形」再組合

在一般平原地區,鋼結構要是「對接不上」、存在誤差,一般會施加外力將兩塊鋼結構強制組合在一起,進行焊接、鉚接或螺栓連接。強制外力一般很大,在平地上,你可以通過很多方法來施加,但高空作業就不是那麼方便了。

所以,高空作業前就要先進行精密測量,測出這其中的誤差,再施加外力先讓「拼不上」的鋼結構先發生形變,使兩塊鋼結構剛好能夠對接上,再進行焊接、鉚接或螺栓連接。

2、採用鋼管混凝土代替普通混凝土

為了便於高空大風環境下施工,工程師們採用了鋼管混凝土結構。鋼管混凝土結構通俗的說就是先架設鋼結構,完成「框架」之後,向鋼管中填充混凝土,然後在鋼結構外側外包混凝土。

鋼管本身就是勁性承重骨架,吊裝質量輕,可簡化施工安裝工藝、節省腳手架、減少施工用地、縮短工期。而且這種結構除了擁有高強輕質、塑性性能好、耐疲勞、耐衝擊等優越力學性能,還方便澆注混凝土。

因為普通混凝土澆注是要搭建模板,高空施工搭建模板顯然不現實,所以鋼管混凝土既不用搭建模板,又可省去支模、拆模的工作,直接將混凝土往鋼管里澆注就可以了。

鋼管混凝土節點示意圖

3、還需振搗,使混凝土更結實

澆注混凝土后還需對其進行振搗,所謂的振搗就是用機器把混凝土中的氣泡排除,進行搗固,消除混凝土的蜂窩麻面等現象,這樣就使混凝土密實結合。

經過振搗混凝土會更加密實,抗壓強度會得到很大的提高。而且鋼管混凝土更適于振搗,對結構的影響比較小,非常適用於瀾滄江特大橋的施工。

難點三:施工場地過於有限

瀾滄江特大橋兩岸坡度大——大理岸坡角約60°,保山岸坡角約80°。大橋橋址及附近地質條件複雜、交通不便,施工場地狹窄,臨建數量大、平面布局困難,施工環境極為惡劣。因此,在幾乎沒有平地的情況下,要想完成施工,就必須要有非常之舉。

一種施工方案是整體豎轉方案。通俗的說,就是鋼結構縱向組裝,在完成組裝之後,再用繩索將左右兩個半拱形鋼結構慢慢放下,最終合攏為拱形橋樑支架。這種做法的好處有以下兩點。一是可以利用大理岸和保山岸陡峭的岩壁進行鋼結構組裝,解決了沒有平地可以用於施工的困境。二是縱向組裝鋼結構焊接質量容易得到保障。

但缺陷也很明顯,那就是吊裝的鋼結構數量太多,組裝后高度高達191米,這不僅對吊裝設備要求較高,而且焊接或鉚接過程中還有大量高空作業,存在較大安全風險。而且之前介紹過,這裡風大,縱向組裝的鋼結構在大風的作用下會產生擺動和搖晃,這會大幅增加施工難度和安全風險。

「二次豎轉」:利用山體拼接鋼結構

既然一次整體豎轉的方案施工難度較大,那麼可以試試兩次豎轉方案。

二次豎轉方案相對於整體豎轉方案,最明顯的差別就是把原本縱向拼接的鋼結構分成兩段,把原本縱向直立的上半段鋼結構,放倒斜躺在大理岸和保山岸的山體上,這樣一來,就可以利用山體進行鋼結構的組裝拼接,大幅減少高空作業的工作量,增加了施工安全性。

(「二次豎轉」方案方便了鋼管組裝拼接)

而且依託山體進行組裝拼接鋼結構,也降低了對吊裝設備的需求,節約了施工成本。唯一美中不足的就是兩段鋼結構直接的連接鉸結構比較複雜,而且在將兩岸的鋼結構合攏的時候,每一條牽引繩索施加的力必須計算的非常精確。

難點四:二次豎轉130度、單邊豎放2500噸

瀾滄江特大橋在全球首次採用「二次豎轉」方案施工,而且二次豎轉角度之和達130度,豎轉角度為已知最大。同時,大橋單邊豎放重量達2500噸,也是世界橋樑施工之最。

要實現二次豎轉,首先在將鋼結構元件組合拼裝后,在鋼拱的底部和中間兩段鋼結構的結合部位安裝轉鉸(腦補一下門與牆是怎麼連接的),然後還要安裝纜索吊機、泵站豎轉設備。再通過牽引索相互牽引,把兩岸中間轉鉸以上的部分先扳起,這就完成了第一次豎轉。

在完成第一次豎轉之後,牽引索繼續牽引成形的半拱形鋼結構,然後繼續下放牽引索,並最終完成合龍形成拱形鋼結構支架。

1、轉鉸質量得靠譜

在這個過程中,有幾個技術要點。首先,整個拱形鋼結構中間部分和底部的轉鉸必須質量可靠,因為一旦轉鉸出現質量問題,二次豎轉將成為不可能完成任務。

2、轉鉸安裝須定位精準

其次,轉鉸的安裝必須定位精確,在安裝完成後,還必須將其和預埋板、鋼支架焊接牢靠,使其在混凝土澆注時不產生位移。

3、必須依靠計算機精準控制

最後,豎轉需要精確的計算機控制技術。由於在此之前,國內最大大橋單邊豎放重量只有800噸,而瀾滄江特大橋的單邊豎放重量為2500噸,是目前世界已知的最大噸位,對牽引索動態同步控制難度大。

而要實現對牽引索動態同步的精確控制,則有賴於計算機動態同步控制負角度豎轉系統。該系統的工作又必須依靠傾角感測器、壓力感測器和位移感測器等各種感測器的實時數據傳遞和主計算機的計算和控制,一環扣一環。

在豎轉過程中,豎轉角度發生變化,傾角感測器就會將數據發送到主計算機。與此同時,壓力感測器、位移感測器也會將數據發送的控制器和計算機。主計算機會對這些數據進行比較分析,計算出在拱形鋼結構的角度、壓力和位置發生變化的情況下,各條牽引索的受力變化,計算每一條牽引索需要施加多大的力。

結語

面對惡劣的施工環境,工程師們不畏艱險,見招拆招,以「二次豎轉」施工方案克服困難,不僅在橋樑建造史上創造了三項「世界第一」,還為打通中緬國際鐵路,實現國力向東南亞輻射發揮應有的作用。

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