荆岳长江大桥设计代表、湖北省院高工丁望兴
2010年5月5日,随着最后一片钢箱梁被吊装焊接到位,全长816米的荆岳长江
主桥正式合龙。这标志着大桥施工又迈过了一个关键的节点,向着“一年打基础、两年树形象、三年保贯通、四年庆通车”的目标迈进。
荆岳长江
为双塔混合梁斜拉桥,全长5400多米,总投资超过23亿元,是首座连接湖北、湖南两省的长江大桥,于2006年底动工,规模在国际同类桥梁中位列第一。
如今,在大桥工地上,后期建设正在如火如荼地进行。而湖北省交通规划设计院副总工、高级工程师丁望星仍在大桥指挥部忙碌着。此时,作为设计代表的他已经在工地上住了近四年之久。从设计蓝图到主桥合龙,丁望星全程参与并见证了一座大桥的诞生。提起大桥的设计过程和四年的设代经历,丁望星感慨颇多。
因地制宜巧设桥墩
荆岳长江大桥的设计与建造难度在业界众所周知。复杂的地质环境,千米级高低不对称斜拉桥的设计,这些对设计者而言,都是不小的挑战。丁望星和他的同事们不但需要对桥位所在地的地质条件了如指掌,还需要努力在设计中有所突破。
谈及荆岳大桥中所使用的创新技术,丁望星一脸兴奋如数家珍。他告诉我们,荆岳大桥的设计中做的较为到位的一点是荆岳大桥与周围的环境、建设条件很好地融合在了一起。
荆岳大桥桥位所在地的主要通航区和深泓区都靠近南(岳阳岸)岸,如果将南桥塔设计在水中会碍航、阻洪。根据当地地质条件,荆岳长江大桥被设计成为不对称的斜拉桥。南北塔的塔高相差四十多米,南边跨与北边跨相差两百多米,且其南、北边跨一个采用混凝土梁,一个采用钢梁,主跨采用钢梁。
在荆岳大桥的创新设计中,尤其值得一提的是北塔的基础设计。北塔的基础虽然处在深水中,但在避开不良地质之后桥塔基础正好布置在强度高、变形小的白云岩上,基础沉降量较小。据此,荆岳大桥北桥塔基础巧妙地采用分离式技术进行设计,将整体式基础分开,这样一来既可以大大减小单个基础的规模,还可以减小桥塔基础的施工难度。
降低施工难度是一名优秀设计师需要考虑的问题之一。在荆岳大桥的设计中,这一理念还在南塔的设计中得以体现,由于荆岳大桥南岸地质条件较为特殊,岩层呈陡立状,岩层间夹有层间剪切带等破碎岩体,超深桩孔在施工过程中极易发生偏孔、塌孔、掉钻、卡钻等质量问题。因此,在设计中设计师打破了传统的设计方法,根据特殊地质条件和试桩成果,采用“摩擦+嵌层”设计理念,同时通过增加桩数,以尽可能减短桩长、降低施工难度。
创新的抗震设计与长寿命斜拉索
敢于突破大胆创新是荆岳大桥设计与施工的亮点之一。在荆岳长江大桥上,丁望星和他的同事们一起设计了长寿命斜拉索,并首次将通常用于飞机上的外层防护的氟化膜应用到了荆岳长江大桥的长寿命斜拉索的外层防护上。丁望星说,这种胶带可以起到防紫外线和防老化的作用,以往通常用于旧桥缆索的修复,这是首次将这种防护方案应用于新桥建设。
另外,在斜拉索的桥塔端锚固问题上,大桥的设计师们也做了技术上的创新。他们打破了原有的钢锚箱或者预应力混凝土锚固技术,而是采用受力明确、施工便利的钢牛腿+钢锚梁锚固技术;但钢锚梁不再简单地采用两端滑动或者两端固结的方式,而是通过计算,采用施工期一端固结一端滑动、运营期两端固结的方式,将绝大部分斜拉索索力转移到抗拉能力强的钢锚梁上,使桥塔的塔壁混凝土承受拉力大大减小。
高墩工联大跨连续梁的抗震能力之所以相对较弱,是因为当地震来临时,所有的顺桥向水平地震力都将集中在一个固定墩上,很容易发生垮塌。而在荆岳长江大桥的北滩桥上,有970米长的长联大跨连接梁,针对此段桥梁的抗震设计,丁望星和他的同事们采取了双曲面支座的进行减、隔震,即将常规支座的水平滑动面改为曲面,以将所有的水平地震力均匀地分布到各个桥墩上;该支座利用一个简单的钟摆原理,当地震来临、主梁位置相对支座发生了水平偏离时,由于各墩双曲支座滑动面均为曲面,便会为主梁提供一个与水平地震力反向的自恢复力。
科学探索大胆试验预制拼装箱梁和钢混结合段
超宽混凝土梁桥面板和钢-砼混合梁结合段混凝土开裂一直是困扰桥梁设计师与施工单位的老大难,因为这直接影响到桥梁的耐久性与全寿命。而导致混凝土桥面板开裂的主要原因是现浇混凝土的收缩徐变效应,在混凝土梁收缩徐变变形尚未释放时便连为一体并参与受力。同时,钢和混凝土材料特性差导较大,用两种不同材料做成的混合梁很难完全“粘合”,因此就会很容易出现裂缝。
在荆岳长江大桥做设代期间,丁望星大胆试验,采用预制拼装的技术对混凝土箱梁和钢混结合段进行施工。将混凝土箱梁分段预制、存梁,将钢箱梁梁段分节段制造,然后通过移梁拼接将梁段拼为一体,这样就避免了桥面裂缝的出现。
丁望星告诉我们,在荆岳大桥的设计施工中,他对预制箱梁的要求之一是必须在自然条件下存放三个月以上,让其完成自身的收缩变形之后才可以使用。这是因为预制箱梁的张拉期一般为七天,存放三个月足以让预制箱梁完成收缩变形,可以保证拼接后桥面不会出现裂缝。
丁望星信心满满的说,现在来比较预制与现浇工艺,对混合梁钢混结合段哪个更好似乎还为时过早,但是我们不怕时间的检验,我们希望通过时间的检验来验证我们的工艺并将其推广,从而解决桥梁建设中的难题。
着眼未来的可控性设计
由于荆岳长江大桥跨度大,拉索长,各部位受力行为变化较大,桥梁受力情况必须做到可控。在荆岳大桥的设计与施工中,可控性设计体现得十分明显。比如,在施工中通过布置测点来观测桥的受力和线形状况。
在施工控制过程中,丁望星和他的同事们摈弃了传统的应力和线形控制法,采用了独创的自适应无应力构形法。就是把桥梁主要受力构件进行构形,反算桥梁各构件无应力时候的状态的形状和尺寸,按照无应力状态的的形状和尺寸进行构件制作。自适应是指既可以适应现场气候的变化,也要适应制造上的误差。自适应无应力构形法的好处是可以提前预测构件在施工现场的尺寸和空间位置,不需要在现场调整构件标高和空间位置,所有的误差都可以通过预测来预先调整。
可控性设计不仅体现在施工过程中,还体现在桥梁建成后。即为整座大桥建立长期健康监测系统,并在塔柱、混凝土箱梁等地方设置了使用寿命较长的光纤传感器。不仅可以掌握桥梁的健康状况,还可以及时指导维修。这样不仅方便了后期维护,也能够延长桥梁的使用寿命。
此外,桥梁的可控性还表现在其后期维修方面。比如,在所有高度达到十米以上的桥墩都设置了爬梯,每个桥墩都设了一圈检修平台,钢箱梁每隔45米在斜底板设置的人孔,便于维修人员从桥下进出。同时,设计师们还在箱梁底部设置了可移动的检修车,基本上主梁每个部位都可以到达,以便维护检查。桥塔的内部设置了爬梯、电梯,可以到达桥塔每个部位。这些细节设计都将会更好地服务于荆岳长江大桥通车后的维护工作。
四年设代付出与收获并重
2006年—2010年,将近四年的光阴,说起来不算太长,但对丁望星而言,却是一个重要的阶段。四年间,从4岁到8岁,从幼儿园到小学,女儿已经经过了人生起始中弥足珍贵的启蒙阶段,而丁望星却没能陪女儿共同走过。
丁望星说,“我感到很遗憾。四年里,常驻在工地上,没有陪女儿庆祝一个生日,没能够抽出时间来陪女儿一天。对家庭,也照顾得很少,所以,我很感谢妻子及家人的包容与支持,亏欠她们的只能以后再补了。”
然而四年的设代生活也让丁望星收获了很多。他说:“四年中,我与施工方朝夕相处,更深入地了解了施工工艺和遇到的难题,并积极寻求解决之道,积累了丰富的经验,这些对一个设计师而言,都是非常宝贵的财富。”说着,丁望星的脸上露出了欣慰的笑容。
“有时,一线的工程师会有很多抱怨,觉得没人认为他们是英雄。其实,作为一个设计师,虽然一线的日子很苦,但这是一个必经的阶段,因为没有经历就没有体会和收获,就谈不上进步。所以,做我们这行,一定要耐得住寂寞,不能急功近利。现在,我们院工程很多,给工程师的机会也很多,所以,我很有信心。”最后,丁望星认真地说。
初夏的6月,小雨蒙蒙。在轻烟细雨的笼罩下,荆岳长江大桥显得尤为亮丽、壮观。为了确保大桥在今年年底竣工通车,工人们正在进行紧张的施工和其它扫尾工作。
作为湖北随州至岳阳高速公路的核心工程,通车后的荆岳长江大桥将连通京珠复线,大大缩短湘鄂两省的直线距离,加强武汉城市圈与长株潭城市群的对接,为鄂、湘两省的经济社会发展打造一个腾飞的平台。