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钢索寿命超长待机50年,苏通大桥一生只用换一次斜拉索 | 了不起的中国制造

苏通大桥钢索采用超强钢,寿命可达50年,是普通斜拉索的两倍;为保证大桥稳固,采用倒Y形索塔,更首创了大型深水群桩基础施工控制技术,牢牢扎根地下;桥下有597个传感器,实时监测大桥的“健康状态”。


在许多人看来,2008年建成通车的苏通大桥只是一座连接苏州与南通,缩短苏南苏北交通时间的大桥。然而大家可能不知道,这座主跨1088米的双塔双索面钢箱梁斜拉桥,是目前世界上跨径最大的斜拉桥,它让人类首次将斜拉桥的跨越能力突破了1000米大关。



(苏通大桥)


苏通大桥开创了多项新技术、新工法,还创造了四项世界纪录:超大跨径、超长拉索、超高索塔和超大规模深水基础。在大桥的建设中,工程师们克服了气象条件差、水文条件复杂、基岩埋藏深、通航标准高等多个困难,最终将天堑变为通途。这座大桥所积累起来的“黑科技”,也帮助中国迈出了从桥梁大国到桥梁强国的坚实一步。


1用“蛛丝”让斜拉桥“命悬一线”


悬索桥和斜拉桥是最重要的两类现代桥梁,但它们二者的受力模式迥然不同。其中,悬索桥是靠一根“粗绳”承力,再将桥面通过细细的吊索吊在粗绳上。而斜拉桥则是在索塔顶撒出“蛛丝”,用这些“蛛丝”拉住整座大桥。承担大桥和桥上车辆重量的核心,整座大桥的“命”都悬在这些线上。


悬索桥的悬索,即那根“粗绳”通常很粗,强度不成问题;同时吊索只需要承担纵向的拉力,任务轻。而斜拉桥则不然。斜拉桥的拉索要直接承担大桥重量,并且由于其“斜拉”的特点,斜拉索受到的力要比桥的荷载大得多。


  

(斜拉桥的斜拉索,细细的钢索里承担着万钧之力)


也正因为这些特点,悬索桥比斜拉桥更容易获得长跨度。但同时,悬索桥的柔性更大,在面对狂风时,普遍不如斜拉桥稳固。两种桥型各有优缺点,但在1000米以上的领域,由于钢索强度的限制,在苏通大桥之前,这里始终是悬索桥的天下。可是,为了保证大桥在东南沿海恶劣天气条件下、尤其是台风条件下的安全,苏通大桥最终选择了斜拉桥方案。


2和大桥的超强钢相比,普通钢就是木头


斜拉桥对于钢索的要求极高,而且跨度越大,斜拉索强度要求越高。这些钢索绝不能是普普通通的建筑用钢,而是要使用特种钢制成,这就要求工程师们必须攻克钢索这一关。


为确保苏通大桥斜拉索用的镀锌钢丝质量和施工进度,宝钢从2006年2月开始实施镀锌钢丝规模化生产制造的技术攻关,历时14个月终于研制出强度达1770兆帕的钢索材料,配合“双张紧+限径模”工艺,将斜拉索的整体技术提升到了国际领先水平。


与之相对,普通的建筑用钢强度通常在200-400兆帕。普通钢材与斜拉索的差距,就像是木材与普通钢材的差距,这些以一当十的钢丝虽然细,却能有力地拉起整座大桥。

  

(苏通大桥蛛丝般的钢索)


事实上,斜拉桥的钢索并不会伴随大桥的一生。一座大桥的设计寿命通常为100年,而钢索由于暴露在空气中,风吹雨淋,寿命不可能太长。一般来说,只有25年左右。斜拉桥的一生中需要多次更换钢索,而由于钢索是主要承力构件,更换起来费时费力,成本极其惊人。通过技术攻关,苏通大桥的斜拉索寿命达到了50年,这意味着苏通大桥的全寿命只需要更换一次斜拉索。这极大地降低了成本,提高了安全性。


3大桥如何阻止钢索共振带来的危害


苏通大桥如此细长的钢索,在大自然的眼中就是一根根瘦弱的琴弦。无论是风雨还是行车,都很容易使钢索以特定的频率发生振动。


一旦产生共振,很细小的作用也会产生很大的振动,即使再坚固的钢索也会发生破坏,进而危害大桥安全。因此工程师们对拉索进行了一些精细的处理,以消除或减弱这些振动。例如,在拉索表面设置一些双螺旋线,或进行表面压花处理。


  

(苏通大桥采用的新型抗风雨振压花拉索)


苏通大桥的工程师们结合以往经验,扬长避短,开发了新型抗风振压花拉索。这些细小的花纹既对雨水起了强制导向的作用,又提高了拉索表面的粗糙度,阻止了大的风漩涡形成。


除压花外,大桥还采用了高阻尼橡胶减振器和外置的电磁阻尼器来增大振动的阻尼,增大对抗振动的阻力,从而减小振动,这些措施在实践中起到了极好的效果。


4索塔站得稳,大桥才安全


斜拉索将大桥的重量拉起来之后,最终还是要被索塔“扛”在肩上。因此,索塔必须要承担整座大桥的重量,要稳重,但考虑到地震的作用,一味地追求稳重也不行,否则受到的地震力过大,自己先瓦解了,别说承担大桥了。


工程人员最终从结构受力、安全、施工、造价以及景观等多个角度选择了倒Y形索塔。这座索塔高达300.4米,接近天津塔这种地标级摩天大楼的高度。这种形态的索塔不仅有稳固的三角形结构,而且可以承担得住来自四面八方的力,防止桥面发生扭转变形。


  

(苏通大桥的倒Y形索塔)


轻盈的索塔具有较小的横截面,既减弱了地震力,又确保了较小的风阻系数,防止了索塔大幅度振动的发生。可以说这座综合各项优点,又巧妙地避开了各项缺点的索塔虽然高,安全却是无忧的。


5出淤泥而“不倒”——深埋地下的黑科技


通常来说,建筑物的基础应该坐在坚硬的岩石上才会稳固。对于比高楼大厦还上几倍的大桥来说更是如此。但是苏通大桥身处长江入海口,这里已经被长江冲刷了几百万年,淤积了几百米厚的泥沙,另外,由于江水常年的冲刷,河床的土质也变得十分软弱而不均匀,危害了基础的稳定性。


这么深的基岩,想直接坐在上面是不可能了,只能向里面打桩,然后让桥墩坐在桩上。



苏通大桥工程在国际上首创了大型深水群桩基础施工控制技术,其索塔基础由131根直径2.8米、长120米的超大规模群桩组成,相当于将桥塔牢牢地钉在了地里,能够有效地对抗长江中的深水、激流、大浪和强潮。苏通大桥之后,这种先进技术已经在多座国际重大桥梁工程中得到了应用。


另外,在河流中,桥墩要经年累月地面对河水同一个方向的冲刷,这不仅严重影响施工进展,在长期中混凝土的内部结构也会遭受破坏。为减小水流对桥墩的冲刷破坏,施工方未雨绸缪,采用了主动超前的护底抗冲措施,也就是在桩基施工完成前依次抛填沙袋、级配石料和大石块对桥墩基础进行防护,从远处开始就削弱水流,进而有效地减小冲刷的效果,保护桥墩。


6597个传感器监测大桥“心跳”


苏通大桥并非像我们看到的那样,是一动不动地屹立在那里。它的状态,包括结构的位移和内部的应力,都是随着时间和环境时刻发生变化的。



(苏通大桥)


大桥不是普通的建筑物,河流的水文变化、天气的变化、汽车的超载……许多未知的因素都会影响大桥的正常服役。为了实时监测大桥的“健康状态”,在大桥修成后,仍有597个传感器在大桥的全身各处持续工作,监测大桥的各项指标变化。一旦发生问题,可以第一时间进行处理,保障大桥的安全与正常使用。

由于设计的巧妙和施工质量的优良,检测数据显示,虽然环境变化很大,但大桥服役以来的各项性能状态良好,完全符合要求。

苏通大桥的建成,意味着中国桥梁建设体系迈上了新的台阶,让中国坐稳了桥梁强国的宝座,也为未来中国乃至全世界的桥梁建设,尤其是斜拉桥建设积累了宝贵的经验。苏通大桥,无愧于斜拉桥“扛把子”的称号!(ps:当你堵在苏通大桥上的时候,不如来找找这些黑科技~)


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