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港珠澳大桥主体全线贯通 造桥成中国人又一种族天赋
作者:日照科普网  点击次数:936  发布时间:2017-07-13 15:35:04

  2017年7月7日,港珠澳大桥主体工程迎来了全线贯通的历史时刻。

  继去年9月主体桥梁贯通后,迄今世界最长、埋入海底最深、单个沉管体量最大、设计使用寿命最长、综合技术难度最高的沉管隧道——港珠澳大桥海底隧道也于今日顺利贯通。这也标志着大桥主体工程的全线贯通,年底港珠澳大桥将具备通车条件。

  港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道,它集桥、岛、隧道于一体,全长55公里,是世界上最长的跨海大桥,是中国建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大的跨海桥梁。

  在这些“世界之最”、“中国之最”的背后,项目建设者付出了艰苦努力,正是由于他们不断探索、不断攻关,工程在建设管理、工程技术、施工安全和环境保护等领域填补了多项空白。

  其实,自古以来,中华民族都有天生的造桥基因。造桥,可以说是除了种菜外,中国人的又一种族天赋。

  中华民族的造桥基因:秦始皇时代就有“跨海大桥”?

  “逐日巡海右,驱石驾沧津。 征卒空九宇,作桥伤万人。”李白的诗《古风》(秦皇按宝剑)中就讲述了秦始皇在海边架桥以观日出的故事。秦始皇到底有没有耗费巨大的人力物力建造这样一座“跨海大桥”已经无法考证,但从中不难看出,从秦朝开始,古人已经开始想象跨海大桥这样的超级工程了。

  从历史上来看,中国人在交通方面的思路十分“粗暴”直接:遇“川泽之阻则桥梁之”!

  我国大型桥的修建历史或可追溯至周朝的渭河浮桥(公元前1184年),比西方的博斯普鲁斯海峡浮桥(前493年)早好几百年。

  

 

  图黄河铁牛地锚

  唐开元年间,人们开创性地使用“铁锁连舟”的结构形式,在黄河蒲津渡两岸布置带地锚的大铁牛(又称开元铁牛),浮桥以铁锁相连,最终锚固在铁牛上,牢固可靠。若不是出现了黄河改道这样的不可抗力因素,或许我们现在还能看到这座浮桥的伟貌。

  除此之外,我国古人将石桥和木桥也做到了极致。

  

 

  图赵州桥

  河北赵州桥“初月出云,长虹饮涧”,屹立1400多年,依然用优美的弧线诠释力学之美。

  

 

  图福建木拱廊桥

  福建木拱廊桥将木构技艺与文化传承交融,“虹锁龙津,神庥万载”。

  工业革命后,我国因为历史原因逐渐落后于西方,但新知识新技术的学习,又迅速唤醒了血液中的“造桥基因”。

  

 

  图钱塘江大桥

  我国著名的桥梁专家茅以升先生,在美留学期间完成了博士论文《桥梁桁架的次应力》,其成果被称为“茅氏定律”。归国后,他主持修建我国第一座公路铁路两用桥——钱塘江大桥,用“射水法”、“沉箱法”、“浮运法”等解决了建桥中的一个个技术难题。

  茅以升的得意门生林同炎先生发展了预应力技术,在世界范围内广受赞誉,被称为“预应力先生”。预应力技术目前已在各类工程、特别是桥梁工程中广泛使用。

  举世瞩目的桥梁建设成果

  改革开放之后,我国的桥梁事业取得了举世瞩目的成就。

  《人民日报》在一篇近期的文章中提及:“中国在过去5年间的造桥成就史无前例,无论从桥梁高度、长度还是难度上,中国桥梁建设者们屡创世界纪录。”

  “数据显示,目前世界排名前10位的跨海长桥中,中国占据6座,分别是港珠澳大桥、杭州湾大桥、东海大桥、青岛海湾大桥、舟山大陆连岛工程、嘉绍大桥。世界排名前10位的斜拉桥,中国占据7座;世界排名前10位的悬索桥,中国占据6座……”

  到目前为止,以下这些中国大桥都可以在世界上数一数二:

  

 

  图港珠澳大桥

  连接香港、珠海、澳门的港珠澳大桥是全长约50千米的跨海大桥,其中还有长约6.75千米的海底隧道,穿越伶仃洋。

  

 

  图南京大胜关长江大桥

  京沪高铁上的重要节点——南京大胜关长江大桥全长9.273千米,是世界首座六线铁路大桥,上可以时速300千米通高铁,下有32米净空,可容万吨巨轮通过。

  

 

  图北盘江特大桥

  贵州水盘高速公路上的北盘江特大桥跨越峡谷,全长1261米,最大墩高170米,在山谷之中最大跨度290米,结构形式(预应力混凝土空腹斜腿式连续刚构)为世界首创。

  这里特别要指出,空腹斜腿式不是个武术动作……

  斜腿的腿指的是柱子和桥面相接处的斜的梁,一般又叫“牛腿”。

  

 

  图天兴洲长江大桥

  位于武汉的天兴洲长江大桥,延续了武汉长江大桥公路铁路两用的优良传统,是当时世界上跨度最大的公铁两用桥。

  桥梁尺寸的变大带来新的技术难题

  把小房子放大,是造不出通天塔的。把小桥的经验放大,也造不出大桥。桥梁尺寸增加,出现了很多以前从未遇到的技术难题。可以说,大桥尺寸“大”,困难也更“大”。这些难题给科研工作者带来了很大的挑战。

  1. 大型结构的自振频率(固有频率)更低、自振周期更长。大家一定听说过拿破仑军队整齐划一踏步过桥、引起桥梁损坏的故事,就是因为步伐与桥梁的自振频率一致了,引发了共振。

  2. 结构自振周期与输入荷载的变化周期越接近,荷载引起的结构响应(振动)就越大。很多大桥的自振周期与地震波的卓越周期相近,这对桥梁的抗震很不利。

  为此,科学家需要采取很多措施来保证抗震性能——例如,通过精细的计算分析寻找最危险的部位并加固、通过地基处理和设置隔震层等方式隔震、设置消能减震措施等等。

  3. 除了地震之外,另一种动力荷载——风对桥梁的影响也很大。在一些情况下,空气中的涡流会造成桥梁持续的晃动(例如,美国塔科马海峡大桥事故)。这要求桥梁结构有合理的外形,以及抗风振的措施。必要时,还需要在风洞中做测试。

  

 

  图桥梁风洞试验

  4. 长桥还会受到“行波效应”的影响。地震波的传播是有一定速度的,在波传播方向上,不同位置所处的运动速度、运动方向不同。例如,地震波传播方向和桥的走向一样,很有可能出现大桥两侧地基运动状态不一致的情况——举个极端的例子,如果左侧桥墩向左运动,右侧桥墩向右运动,两者之间的桥面板就很危险了。这种问题又叫“非一致地震输入”,这要求在设计阶段就要好好分析桥梁如何“尬舞”。

  5. 和桥梁一起变大的还有那些埋在地下的看不见的结构。悬索桥的钢索拉力极大,需在大桥两侧设置“锚碇”,把钢索的端部锚固定住。著名的润扬大桥北侧锚碇承受了6.8万吨的主缆拉力,进行施工时,在桥北的粘土中开挖一50m深的基坑——在当时,这是世界上最深的深基坑。这无异于在豆腐上打洞,难度极大。不过,工程的顺利完成标志着我国的计算水平、施工水平、管理水平都达到了世界领先。

  除了这些难题,大桥施工管理和质量监测、结构可靠性、材料耐久性等问题,也都曾是超大工程的“拦路虎”。现如今这些被攻克的难题,成为攀登基建高峰的垫脚石。

  我们追求的不止是“高”,还要 “精”和“尖”

  很多人有这样的疑问:

  修建这样的大桥,是因为我们有交通需求。等这些大桥都修完了,我们的造桥技能是不是就只能锁在柜子里呢?

  其实,土木工程领域的前沿研究不仅着眼于这些大项目,除了追求“高”,我们还应该追求“精”和“尖”,永不止步。

  你猜,世界上最薄的桥能有多薄?

  这里的厚薄是一个相对概念,用结构厚度和跨度的比值(高跨比)来衡量,比值越小桥越薄。

  一般的公路桥的高跨比是1/25—1/22,目前世界上最小的高跨比则是1/42.5!只有普通桥梁的一半左右!

  说出来您可能不信,这座桥就在北京,是北京万泉河的一座人行天桥。也就是说,您下楼买个菜,都可以指着天桥自豪地说:这就是世界第一!这就是我们的技术!


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