大跨徑橋梁設(shè)計(jì)與施工探討

孫澤軍

(東莞市財政局生態(tài)園分局，廣東 東莞 523668)

目前，在跨度超過500 m的世界斜拉橋中，我國已從數(shù)量上占據(jù)了重要的地位。江陰長江大橋的建成，標(biāo)志著我國有了第一座跨徑超千米的懸索橋，同時也使我們成為世界上第六個能夠建造千米級跨徑大橋的國家。此外，世界第一拱——上海盧浦大橋、36 km長的杭州灣大橋、主跨1 088 m超大跨度斜拉橋——蘇通長江大橋、主跨1 490 m懸索橋——潤揚(yáng)長江公路大橋，都說明我國大跨徑橋梁工程建設(shè)技術(shù)水平有了進(jìn)一步提高。

1 大跨徑橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)重視的一些問題

由于公路運(yùn)輸自身的優(yōu)勢，公路干線跨江、海工程將不斷出現(xiàn)，而且隨著施工能力、材料強(qiáng)度、試驗(yàn)手段的進(jìn)一步提高，大跨徑橋梁的世界記錄將會不斷被刷新。鑒于工程設(shè)計(jì)對控制工程質(zhì)量、安全和工程造價起著決定性作用，我認(rèn)為有以下幾個方面值得重視。

1.1 加強(qiáng)前期工作及專題研究

發(fā)達(dá)國家在大跨徑橋梁建設(shè)整個過程中對前期工作和設(shè)計(jì)階段投入的資源是很可觀的，因?yàn)橛谐浞值目尚行哉撟C和精心的設(shè)計(jì)，在施工過程中因方案或設(shè)計(jì)問題而出現(xiàn)修改或進(jìn)行優(yōu)化的可能性已經(jīng)不大，工程一旦鋪開，整個施工就會一氣呵成，基本避免了因考慮不周帶來的追加投資或工期拖延。

他山之石，可以攻玉。所以我們在前期工作除常規(guī)論證外，還應(yīng)包括橋梁結(jié)構(gòu)與環(huán)境景觀協(xié)調(diào)、施工工藝的可行性等。專題研究除風(fēng)荷、船撞等以外，還需側(cè)重對結(jié)構(gòu)的使用效果、使用壽命進(jìn)行研究。鑒于上述工作的重要性，并需要一定的工期和費(fèi)用，建議設(shè)計(jì)單位做好業(yè)主的解釋溝通工作，在業(yè)主的支持與配合下，設(shè)計(jì)單位需充分調(diào)研項(xiàng)目有關(guān)情況、認(rèn)真勘察現(xiàn)場，不折不扣地做好項(xiàng)目前期工作和專題研究，為成就“精品”工程共同努力。

1.2 提高計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力

大跨徑橋梁涉及的問題很多，且設(shè)計(jì)過程中存在方案比選優(yōu)化調(diào)整，越是如此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)就越顯得重要。丹麥著名的COWI公司所應(yīng)用的一套自行開發(fā)的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)IBDAS，把橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期處理(橋型方案及相關(guān)數(shù)據(jù))、中間處理(結(jié)構(gòu)分析)、后期處理(配筋、索、出施工圖)連成一體，除此之外，還能對大跨徑橋梁進(jìn)行諸如抗風(fēng)、抗震、大體積混凝土發(fā)熱控制等非常規(guī)模擬分析。因此，設(shè)計(jì)工效和精確度大大提高，有時還能大大地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)過程中的缺陷。

1.3 重視結(jié)構(gòu)耐久性和環(huán)境的保護(hù)

結(jié)構(gòu)耐久性可以說是一個經(jīng)濟(jì)問題，是一個一次性投入和長期投入的關(guān)系問題，也事關(guān)節(jié)能環(huán)保問題。大跨徑橋梁由于結(jié)構(gòu)龐大，不但在景觀上對環(huán)境影響重大，而且由于施工牽涉面大，局部性環(huán)境破壞或污染也是一個應(yīng)重視的問題。正因如此，設(shè)計(jì)階段的長遠(yuǎn)和全盤考慮就顯得非常重要。

以橋面鋪裝為例，鋼纖維混凝土鋪裝的優(yōu)勢有:

1)同強(qiáng)度等級下，鋼纖維混凝土的重量更輕，較適合大跨徑橋梁;2)由于設(shè)置了一定比例的鋼纖維，大大增強(qiáng)了混凝土的抗彎、抗壓和抗拉極限強(qiáng)度;3)鋼纖維混凝土具有更優(yōu)越的抗沖擊能力、形變能力、抗疲勞和抗裂能力、抗剪能力、耐磨與抗凍能力及抑制甚至阻止溫度裂縫的形成和擴(kuò)展的能力。

由此可見，大跨徑橋梁采用鋼纖維混凝土鋪裝能有效提高橋梁工程的質(zhì)量和耐久性，延長工程使用壽命和節(jié)約工程維修成本的同時有利于環(huán)保。

1.4 加強(qiáng)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高科研水平

隨著橋梁規(guī)模與跨度的不斷增大，除設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)等需要進(jìn)一步研究、深化外，減輕結(jié)構(gòu)自重、增大結(jié)構(gòu)承受外荷載的能力勢在必行。在充分吸收國內(nèi)外橋梁技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持科技創(chuàng)新，以科學(xué)的發(fā)展觀主導(dǎo)設(shè)計(jì)，大膽采用新材料，新工藝，新思路。

比如在我國的潤揚(yáng)長江公路大橋設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)創(chuàng)新有:

1)在懸索橋跨中主纜與加勁梁剛性連接，設(shè)計(jì)中央扣，以改善全橋的整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性，提高吊索特別是跨中附近的短吊索的使用性能，減小L/4處撓度等，這在我國懸索橋上是第一次采用;2)采用泵送干空氣除濕防護(hù)，徹底改善主纜鋼絲的防腐性能;3)在加勁梁箱內(nèi)安裝電動小車，方便檢查維修等等。

再比如湖南湘西矮寨特大懸索橋設(shè)計(jì)中，為減少對山體的開挖，采用塔梁分離形式，加勁梁長度小于主塔中心距，導(dǎo)致橋塔附近主纜一定區(qū)域無吊索，設(shè)計(jì)通過在主纜無吊索區(qū)增設(shè)錨索以增加結(jié)構(gòu)剛度、降低無吊索區(qū)主纜的活載變形，設(shè)計(jì)思路新穎，打破了單跨懸索橋的加勁梁長度與主塔中心距一致的常規(guī)。

當(dāng)然，目前我們對大跨徑橋梁技術(shù)的探討和研究仍有大量的技術(shù)難題需要去解決，例如:

1)懸索橋結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件為主纜與橋塔，主梁以受彎為主，受力分析時它可等效為拉彎桿件，其幾何非線性效應(yīng)偏于安全一面。但幾何非線性問題因結(jié)構(gòu)的超長化，使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度及扭頻減小，顫振臨界風(fēng)速下降，導(dǎo)致其空氣靜、動力穩(wěn)定性問題趨于嚴(yán)重，風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)及施工狀態(tài)的靜、動力穩(wěn)定性問題將上升為主要的矛盾，尚需解決以下幾方面的問題:靜力風(fēng)載作用下的倒向位移問題;偏載下的扭轉(zhuǎn)變形問題;空氣靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散問題;空氣動力穩(wěn)定性問題等。

2)斜拉橋跨徑的增大尚需克服以下幾個主要的制約因素:超長斜拉索的垂度效應(yīng);主梁靠近索塔處的巨大軸力;索塔高度大，施工期裸塔和最大單懸臂狀態(tài)的風(fēng)險等。

1.5 重視安全性問題

橋梁是生命線工程，橋梁結(jié)構(gòu)失敗必然會釀成巨大損失。設(shè)計(jì)應(yīng)從總體結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施、材料等方面入手，統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)，同時使結(jié)構(gòu)便于檢查、維修。設(shè)計(jì)中的精細(xì)分工、專家參與，最重要的是保證了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，大大減少后期維護(hù)的費(fèi)用。

1.6 重視橋梁美學(xué)

景觀工程是橋梁建設(shè)的一個重要組成部分，應(yīng)充分體現(xiàn)城市與橋梁、歷史與現(xiàn)代、旅游與科技、自然與生態(tài)的相互關(guān)系，最大限度發(fā)揮橋梁及周邊環(huán)境的美學(xué)效應(yīng)和資源功能。重視橋梁美學(xué)和景觀設(shè)計(jì)，達(dá)到人文景觀同環(huán)境景觀的完美結(jié)合，成為一道獨(dú)具特色的建筑“藝術(shù)品”。

1.7 特大型橋梁應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)

我國江陰大橋第一個引入并建立了橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)原由英國Jams Scott Limited公司設(shè)計(jì)、Strainstall Engineering Services Limited(SES)公司施工，由于設(shè)計(jì)施工上的缺陷，經(jīng)成功改造后，系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容主要包括以下幾方面:線形(豎向、橫向、縱向的位移)監(jiān)測、振動監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力溫度監(jiān)測、索力監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測以及主梁位移監(jiān)測系統(tǒng)等，通過對這些信號的實(shí)時分析與處理，實(shí)現(xiàn)對大橋結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的在線監(jiān)測和評估。

1.8 強(qiáng)化措施，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量

嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)、復(fù)核、審核三審制度，重點(diǎn)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)委托權(quán)威專家進(jìn)行咨詢，全方位地做好設(shè)計(jì)服務(wù)工作。

2 對大跨徑橋梁施工的一些看法

大跨徑橋梁施工難度大，所以施工手段和施工能力已經(jīng)成為影響橋型和結(jié)構(gòu)材料選用的一個重要因素。下面對大跨徑橋梁施工談一些應(yīng)重視的問題。

2.1 堅(jiān)持“質(zhì)量第一、預(yù)防為主”的生產(chǎn)方針

工程施工項(xiàng)目質(zhì)量計(jì)劃應(yīng)體現(xiàn)從工序、分項(xiàng)工程、分部工程到單位工程的過程控制，且應(yīng)體現(xiàn)從資金投入到完成工程施工質(zhì)量最終檢驗(yàn)試驗(yàn)的全過程控制，并成為對外質(zhì)量保證和對內(nèi)質(zhì)量控制的依據(jù)。施工項(xiàng)目質(zhì)量控制應(yīng)堅(jiān)持“計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理”循環(huán)的工作方法，不斷改進(jìn)過程控制，確保工程質(zhì)量安全關(guān)。

2.2 提高施工總承包實(shí)力，培養(yǎng)自身科研能力

施工單位應(yīng)不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，做大做強(qiáng)，提高綜合施工實(shí)力。同時，應(yīng)培養(yǎng)一定的科研能力和試驗(yàn)?zāi)芰?，如在施工前，針對某個階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，這對施工質(zhì)量和進(jìn)度的控制無疑是一個強(qiáng)大的支持和保證。

2.3 重視學(xué)習(xí)國外先進(jìn)施工工藝

我國的橋梁施工企業(yè)應(yīng)學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家橋梁施工企業(yè)的先進(jìn)工藝，如超大型機(jī)械水上施工、細(xì)致精確的階段性受力分析、極其豐富的施工經(jīng)驗(yàn)以及其他一些高科技輔助控制系統(tǒng)的應(yīng)用等等。

2.4 堅(jiān)持自主創(chuàng)新施工工藝和方法

如目前正在提倡和推廣的橋梁智能張拉、智能壓漿技術(shù)，即堅(jiān)持鋼絞線梳編穿束工藝，采用智能張拉技術(shù)和循環(huán)壓漿工藝，推進(jìn)精細(xì)化施工，是在現(xiàn)行技術(shù)條件下保證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力度，防止預(yù)應(yīng)力橋梁開裂和超限下?lián)?，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性的較有效途徑。具體為:采用專用壓漿材料或壓漿劑和大循環(huán)智能壓漿工藝，包括:

1)漿液持續(xù)進(jìn)出循環(huán)，排空空氣;2)壓力控制，流量校核，保證壓入管道內(nèi)漿液的充盈度;3)實(shí)時檢測漿液水膠比是否符合要求。

可以說，自主創(chuàng)新施工工藝和方法，是提高工效、節(jié)約成本、保質(zhì)保量完成工程施工的技術(shù)支撐，是施工企業(yè)的核心競爭力所在，也將為施工企業(yè)帶來豐厚利潤。

2.5 加強(qiáng)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工監(jiān)測監(jiān)控

通過監(jiān)測以下幾個方面:1)順橋縱向預(yù)應(yīng)力束摩擦損失(管道摩阻)的測試，推算出實(shí)際摩擦損失;2)控制截面的應(yīng)力測試，跟蹤觀測梁體的開裂情況，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全和施工質(zhì)量;3)監(jiān)測橋梁在各工況下的變形值，以保證合理的施工預(yù)拱度，避免重大偏差，從而實(shí)時的指導(dǎo)施工。合理地控制這三點(diǎn)，對保障施工質(zhì)量具有重要作用。有經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)力量的施工單位，可以總結(jié)大跨度橋梁現(xiàn)澆過程中預(yù)測施工誤差的方法，這樣可將預(yù)測出來的施工誤差提前進(jìn)行修正，更好地減小施工誤差對大跨度橋梁線形的影響，保證主橋的工程質(zhì)量。

2.6 提高大型構(gòu)件預(yù)制吊裝技術(shù)

在大江特別是在海上施工時，出于對施工條件、維持通航、環(huán)保等因素綜合考慮，全面或部分采用大型構(gòu)件預(yù)制吊裝工藝，使整個現(xiàn)場的工作量大大減少，可以大大地節(jié)省施工費(fèi)用。所以，大跨徑橋梁較多地采用大型構(gòu)件預(yù)制吊裝工藝可能是一個發(fā)展方向，當(dāng)然還要因地制宜。

3 結(jié)語

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，橋梁跨度將不斷增大，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜、施工工藝也越來越先進(jìn)，將建造出一大批具有世界領(lǐng)先水平的大跨度橋梁，從而達(dá)到最大的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民族自強(qiáng)做出有力貢獻(xiàn)。

[1] 孟玉梅.公路橋梁施工中鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用探究[J].黑龍江交通科技，2011(8):154.

[2] 趙會強(qiáng).大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011(2):164-165.

[3] 黃湛軍.我國公路大跨徑橋梁設(shè)計(jì)與施工應(yīng)重視的一些問題[J].廣東公路勘察設(shè)計(jì)，1999(3):31-35.

[4] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，2000.