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[文化] 湖北的桥:持续在大跨度上的突破 [复制链接]

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yaqin 发表于 4 天前 |显示全部楼层 |          |
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湖北省地处华中腹地、长江中游、洞庭湖以北。全省地势西高东低,1040公里的长江横贯东西,800多公里汉水蜿蜒南北,滋润着这片沃土。鄂西、北为武陵山区、神农架和秦巴山,多崇山峻岭、深山峡谷;东南部为大别山和幕埠山;中部为江汉平原,有纵横交错的河流和星罗棋布的湖泊。同时,湖北又是全国的重要交通枢纽之一,水陆交通的主要干线在湖北境内纵横交汇,素有九省通衢之称。


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湖北的桥梁发展史,至少可以追溯至约3000年以前西周昭王时期。湖北现存的古代桥梁有数百处之多,以砖石、砖木桥为主。解放前,湖北桥梁建设十分落后,1949年新中国成立前,全省虽有桥梁1940座,但绝大部分系临时砖木桥或石木桥,跨度小、宽度窄、荷载标准低,且多年失修、岌岌可危。


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1954年,湖北集全国之力,借助外援,在武汉修建国内第一座长江大桥——武汉长江大桥,结束了长江无桥的历史。1995年,湖北黄石长江大桥建成通车,开启了湖北乃至全国交通部门自主设计建设长江大桥的序幕。此后,湖北桥梁不断创造奇迹——主跨960米的宜昌长江大桥,为当时国内第三大跨度钢箱梁悬索桥;荆州长江大桥结构复杂,主跨500米混凝土斜拉桥至今位居同类型桥梁国内第一、世界第二;主跨1280米的阳逻长江大桥,建成时为世界第八大悬索桥,其南锚被誉为“神州第一锚”;鄂东长江大桥926米一跨过江,是世界第二大跨混合梁斜拉桥;2014年建成的鹦鹉洲长江大桥,采用三塔悬索桥,世界上尚不多见。而在建的青山、杨泗港、香溪长江大桥,分别为大跨度斜拉桥、悬索桥和拱桥,再次让湖北的长江大桥建设引起了国内外桥梁界的高度关注。


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造型各异的大桥,越长江、跨汉水、穿峡谷,将路桥、山水融为一体,构成纵横交错的现代交通网。独特的地理条件,决定了湖北省公路铁路建设中,跨越江河山川的大跨径桥梁多,技术复杂,使湖北成为享誉世界的桥梁“博物馆”。

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湖北大跨度桥梁的四大特点


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综观湖北大跨度桥梁,有如下基本特点:一是数量多,建设集中;二是主跨大,各类型桥梁主跨跨径在国内乃至世界上都名列前茅;三是桥梁体系类型齐全,大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥均有采用;四是重视技术创新。

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数量多

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据统计,湖北已建和在建主跨400米以上桥梁50余座,其中,跨长江桥梁32座,其他主要分布在鄂西山区。这些桥梁往往多集中建设,如目前湖北同时在建7座长江大桥,鄂西山区一条高速公路同时建设10座以上主跨超过200米的高墩大跨桥梁,对桥梁建设管理和设计施工能力都是很大的挑战。


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主跨大

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目前,湖北已建和在建长江大桥达32座,主跨都在700米以上。这些桥梁中,武汉杨泗港长江大桥为主跨1700米的双层公路桥,跨度居于世界第二,也是世界上最大跨度双层悬索桥;香溪长江公路大桥为主跨519米的中承式钢箱桁架拱,是世界最大跨度的全推力拱桥;斜拉桥跨径在800米以上的有9座,有跨度居于世界第四位的斜拉桥-青山长江公路大桥,为主跨938米的钢箱混合梁斜拉桥。混凝土斜拉桥跨径达500米的荆州长江大桥,建成以来主跨跨度一直居同类桥梁亚洲第一,世界第二。


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体系类型齐全

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湖北省大跨度桥梁类型齐全,大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥均有采用。其中悬索桥有自锚式、三塔四跨、双塔等体系,主梁类型有钢箱梁、钢混组合梁、钢桁架等多种形式;斜拉桥有地锚式、全漂浮、半漂浮、单塔、双塔、多塔等不同体系,主梁类型更是多种多样;大跨度拱桥既有钢管混凝土拱桥,也有钢箱桁架拱桥,根据建设条件,不同的支承体系均有采用。

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重视创新


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湖北省大跨度桥梁建设,除了跨度上的不断突破,还根据不同桥梁的功能和建设条件,力求通过创新来解决设计施工技术难题,为推动我国桥梁建设技术进步作出了重要贡献。

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代表性桥梁

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悬索桥


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武汉阳逻长江公路大桥

武汉阳逻长江公路大桥


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武汉阳逻长江公路大桥是京珠、沪蓉国家高速公路及武汉绕城公路共用的跨长江桥梁,2007年建成通车。桥址位于武汉市东北郊,大桥主桥采用主跨1280米双塔钢箱梁悬索桥。大桥有以下技术特点:

①大桥南锚碇距离长江干堤仅150米,覆盖层厚达50米,下伏砂层、砾石层与长江相通。为确保施工期和运营期桥梁结构安全和长江大堤的防洪安全,基础设计采用“直径73米,深度61.5米,厚度1.5米”的超深特大圆形地下连续墙深基坑工程,系统研究解决了超大体积基坑开挖、内衬、防渗围护以及立体交叉施工等技术难点,其基坑之深、技术难度之大被业内誉为“神州第一锚”,其信息化施工成果对国内深基坑的设计、施工均有借鉴和指导意义;

②为确保悬索桥锚碇预应力锚固系统的安全与耐久性,克服处于地下水位以下潮湿环境锚碇锚固系统耐久性差的通病,达到可更换的目的,主缆锚固系统在国内首次设计研究采用“即时监测无粘结可更换预应力锚固系统”技术;

③主塔结构设计采用钢筋混凝土塔柱、横梁及钢箱剪刀撑的混合结构,一改国内混凝土主塔只能设置混凝土横梁的唯一结构模式,其钢混组合式索塔作为一种新的索塔结构形式,为国内首创。


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鹦鹉洲长江大桥

鹦鹉洲长江大桥

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鹦鹉洲长江大桥位于湖北省武汉市中心城区,属城市桥梁,2014年建成通车。主桥设计采用(200+2×850+200)米三塔四跨组合梁悬索桥,桥面宽38米。三塔四跨较好地适应了桥位“W”形河床断面及两岸市民休闲江滩。其主要技术特点是:

①是世界上最早付诸实践并建成通车的大跨度三塔四跨悬索桥。

②主桥加劲梁采用组合梁,工字形钢板梁高2.423米,混凝土桥面板厚20厘米,是世界首座采用钢-混凝土结合梁作为加劲梁的大跨度悬索桥,较好地解决了大跨悬索桥桥面铺装技术难题。

③锚碇采用环形蜂窝截面新型沉井结构,受力合理,有效解决了中心城区周边建筑物众多、建筑条件复杂的大型深基础设计施工难题。

④中塔采用刚度适宜的新型人字形组合式桥塔,提高了结构刚度,很好地解决了中塔主缆抗滑问题。

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杨泗港长江大桥

杨泗港长江大桥效果图


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武汉杨泗港大桥是武汉市第十座跨长江大桥,位于鹦鹉洲大桥和白沙洲大桥之间,跨江主桥采用主跨1700米单跨双层钢桁梁悬索桥。杨泗港大桥的突出特点:

①是目前国内跨度最大的悬索桥,也是目前世界上跨度最大的双层悬索桥;大桥采用双层桥面布置,上层为双向六车道城市快速路,两侧设置了人行观光道,下层为双向四车道城市主干路,两侧设置了非机动车道和人行道,是目前交通功能最齐全的跨江桥梁;

②主缆设计首次采用了单根直径6.2毫米、抗拉强度1960MPa的大直径高强钢丝,较好地解决了主缆钢丝长效耐久性问题,推动了国产高强钢丝材料性能和生产技术的进步;

③主塔混凝土材料采用了C60高性能混凝土,以降低大桥恒载,其应用具有国际先进水平;

④大桥2号塔底节钢沉井下水重量高达6200吨,是国内外采用气囊法下水重量最大的沉井,主塔沉井下沉首次采用超厚黏土层条件下超大沉井下沉新技术;

⑤首次采用了大节段全焊拼装新工艺和千吨级整体吊装新技术,缩短了架梁工期、减少了现场焊接工作量、降低了施工对航道的影响,从而保证了大桥施工质量。大桥正在建设中,预计2019年底建成通车。

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斜拉桥


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荆州长江公路大桥

荆州长江公路大桥

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荆州长江大桥位于湖北省长江中游的荆江河段,桥址位于湖北省荆州市,是二连浩特至广州国家高速公路跨越长江的咽喉工程,2002年10月建成。主桥由北汊通航孔:200+500+200(米)PC斜拉桥,100+6×150+100(米)PC连续箱梁桥和南汊通航孔97+300+160(米)高低塔PC斜拉桥三部分组成。其主要技术特点是:

①主跨500米PC斜拉桥,其跨度居同类桥梁世界第二、亚洲第一。荆州长江大桥PC主梁宽27米,双主肋高2.4米,重量超过5万吨,斜拉索数量达到126对,技术难度大,是国内首座跨度达到500米级的肋板式断面预应力混凝土斜拉桥。

②大桥设计深入研究并提出了PC斜拉桥合理成桥状态原理和确定方法,在斜拉桥成桥状态确定时综合考虑结构自重、预应力、汽车荷载等主要荷载,其他荷载则放在确定合理成桥状态之后考虑,这种将次要影响因素从确定成桥状态的过程分离的设计方法,极大地提高了设计效率;

③对C60高强混凝土的配合比设计和工作性能进行了深入研究,在本桥得到主梁成功应用,为桥梁高强混凝土的研究和技术发展提供了重要借鉴。


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鄂东长江公路大桥

鄂东长江公路大桥


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鄂东长江大桥是国家高速公路沪渝高速公路和大广高速公路湖北段的共用过江通道,桥址位于长江中游黄石市、鄂州市,2010年12月建成。大桥主桥设计采用(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5)米双塔混合梁斜拉桥。其主要技术特点是:

①主跨跨径位居混合梁斜拉桥世界第二位,主梁为钢箱梁与预应力混凝土箱梁组成的混合梁,均为分离式双箱单室结构,边跨为预应力混凝土箱梁,中跨为钢箱梁,梁宽38米。

②建立了基于最小应变能的钢-混结合段合理位置的确定方法,形成了系统的混合结构斜拉桥设计方法;

③研发了“承压板+复合抗剪连接件”的钢混结合段结构,首次揭示了钢-混结合段“承压-传剪”复合传力的机理,提出了复合抗剪连接件的计算方法,创建了结合段的选型方法,使得“钢格室+PBL键”的结合段传递轴力能力提高1倍以上,并首次运用于国内大跨度混合梁斜拉桥,推动了混合梁斜拉桥的技术进步。


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武汉天兴洲公铁两用长江大桥

武汉天兴洲公铁两用长江大桥


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武汉天兴洲长江大桥位于武汉长江二桥下游9.5公里的天兴洲江段,南汊主桥为(98+196+504+196+98)米双塔三索面公铁两用钢桁梁斜拉桥,主跨跨度居于同类桥梁世界第三。其主要技术特点是:

①大桥上层公路为六车道,宽27米,下层铁路为四线,其中两线一级干线、两线客运专线。是世界上首座按4线铁路修建的大跨度客货公铁两用斜拉桥。

②主梁采用板桁结合钢桁梁,三片主桁,桁宽2×15米,钢梁全长1092米,钢梁总重量为46000吨。

③是世界上第一座双塔三索面、三片主桁公铁两用斜拉桥,可以同时承载2万吨的载荷,为世界上载荷量最大的公铁两用桥。

④公路桥面采用正交异性板和混凝土板新型结合体系,铁路桥面采用混凝土道渣槽板结合体系。

⑤深水基础首次采用3.4米大直径钻孔灌注桩;主塔基础施工采用“巨型双壁钢吊箱围堰成套技术”,在复杂施工条件下整体浮运、精确定位。

该桥获得第27届国际桥梁大会乔治·理查德森大奖。

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青山长江大桥

青山长江大桥效果图


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青山长江公路大桥为武汉市四环线东北段跨越长江的通道,桥位上距天兴洲公铁两用桥约 7.5公里,下距阳逻长江公路大桥约12.0公里。大桥南汊主桥为主跨938米的双塔双索面全漂浮体系混合梁斜拉桥,双向八车道。大桥主要技术特点为:

①是目前长江上同类型跨度最大、桥面最宽的重载交通桥梁。

②主桥横向首次采用带剪力卡榫的分离式C型钢阻尼装置+减振抗风支座的新型约束体系,完全满足车辆荷载、风荷载、地震作用的受力性能要求。

③斜拉桥主梁首次采用中跨钢箱梁、边跨钢箱组合梁结构,组合梁混凝土结合板厚35厘米;采用钢箱组合梁既可规避宽幅混凝土梁横向开裂问题,又可满足压重要求、节省钢料。

④主塔不设下横梁,基础首次采用空心系梁的哑铃形整体基础,可有效减小单幅承台较大的不平衡弯矩,减少桩基规模,节省造价。

⑤开展了重载交通钢桥面构造试验研究,研究制定了合理的钢桥面参数,优化了细节构造,提升抗疲劳性能。大桥正在建设中,预计2019年10月建成通车。


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拱桥


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香溪长江公路大桥

香溪长江公路大桥

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宜昌香溪长江公路大桥是湖北省骨架公路网中第6纵(郧县—来凤)的第2条支线(兴山—五峰)跨越长江的节点工程,桥址位于长江三峡兵书宝剑峡峡口。主桥为钢桁架全推力中承式无铰拱桥,拱轴计算跨径为519米。拱肋采用空间变截面桁架结构,拱轴线采用悬链线形,拱轴系数为2.0。桁架拱采用2片主桁,主桁采用柏式桁架,拱顶、拱脚截面径向高度分别为12米、14米。大桥主要特点:

①主桥为主跨519米钢箱桁架拱,桥长531.2米,主跨跨度居于同类桥梁世界第三,是世界最大跨径全推力拱桥。

②在大跨度中承式拱桥中首次提出“纵向部分固接+纵向弹性约束+横向多点拉索减震”大跨度中承式拱桥桥面梁支承体系,有效地兼顾了长立柱的稳定性和支座纵向承载能力,在罕遇地震作用下,利用多个拱上长立柱的水平刚度、拱梁之间的弹性约束限制桥面梁纵向位移。横桥向支座采用拉索组件进行减震。

③“承压板格构+预应力”的完全承压式钢-混复合拱脚连接构造在弦杆外、承压板顶施加预应力,弦杆对应拱座截面受力为局部承压,其受力模式明确,有效消除了拱座开裂等病害的隐患;拱肋弦杆的弯矩转换为轴力,通过埋置于拱座内的预应力锚梁平衡,弦杆轴力和预应力预压力通过端部的承压板格构传递至拱座,传力途径清晰。

④研发了大吨位300Mpa超高应力幅钢绞线拉索体系工程产品,具有索体超耐久性防腐、抗疲劳性优越、锚具结构尺寸小的优点。大桥已于主拱2018年5月合龙,预计2019年底建成通车。

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​本文刊载 / 《桥梁》杂志 2018年 第5期 总第85期

作者 / 詹建辉

作者单位 / 湖北省交通规划设计院股份有限公司

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