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        跨海大橋建造攻略

        2012-11-08 02:35:08撰文馬曉惠
        海洋世界 2012年4期
        關鍵詞:跨海大橋架梁塔架

        撰文/馬曉惠

        跨海大橋建造攻略

        撰文/馬曉惠

        要在茫茫大海上建一座跨海大橋并不是一件容易的事兒,從最初的橋梁設計到現場的具體施工,無不凝聚著設計者和建造者的心血。由于跨海大橋的跨度一般都比較長,因此對技術的要求很高,在它們身上往往體現出當時最頂尖的橋梁技術。

        斜拉橋和懸索橋是現代跨海大橋設計的不二選擇

        如果按照形式和構造來分的話,橋主要可分為梁式橋、拱式橋、桁架橋、斜拉橋和懸索橋。雖然跨海大橋中也曾出現過像悉尼港灣大橋這樣的拱式橋,但是隨著跨海大橋越來越深入海洋,跨度更大、更省料的斜拉橋和懸索橋逐漸取代其他橋型,成為現代跨海大橋的不二選擇。

        斜拉橋在古代就已經有了,但由于斜拉索的受力很難計算也很難控制,因此備受冷落。直到電子計算機的出現,它才一躍成為近5 0年來發(fā)展最快的一種橋型。與傳統(tǒng)的多孔梁橋相比,斜拉橋的每一根斜拉索都代表著一個橋墩的(彈性)支點,從而增大了橋梁的跨度。也是因此,它更適合對橋梁跨度有更高要求的跨海大橋。

        懸索橋的特點是能造得很高,大船能從橋洞中通過。這對于海上運輸來說尤為重要。此外,在建造懸索橋時不需在橋中心建立臨時性的橋墩,因此這種橋型更適合在水流湍急的深水區(qū)施工。由于它的塔架幾乎不受側向的力,能做得更為纖細,非常省料。

        不過,纖細的塔架在讓懸索橋的建設變得更為經濟的同時,也降低了它對于大風的抵御能力。對于懸索橋來說,因為大風而臨時中斷交通并不是什么稀罕事兒。此外,懸索橋的塔架對地面施加的力非常大,要是地面本身不夠堅硬的話,建造地基的成本會非常高,因此并不適于灘涂或軟泥較多的海域。

        斜拉撟,又稱“斜張撟”,是由主梁、斜向拉緊主梁的鋼纜索以及支承纜索的索塔等部分組成的橋梁。根據鋼纜與主塔的連接不同,主要分為平行連接型和放射性連接型兩類。香港汲水門大橋就曾經是全球最長的行車鐵路兩用斜拉橋。

        懸索橋,又稱“吊橋”,從外形看跟斜拉橋有點相似,不過它的主要承力部分是位于橋兩端的2根塔架,借由這2根塔架間的懸索拉住橋面。為了保障塔架本身所受到的力是垂直向下的,塔架的另一面也會有懸索。這些懸索會連接到深埋在橋兩端的錨錠上,以確保懸索橋的穩(wěn)固。舊金山金門大橋就是典型的懸索橋。

        如果只考慮橋梁跨度的話,懸索橋的跨度比斜拉橋更大,但它的堅固性不如斜拉橋,不適合作重型鐵路橋梁。因此我們沒法說這兩者誰更優(yōu)秀一些,只能說它們各有千秋,得根據具體的情況加以選擇。日本明石海峽大橋選擇懸索橋,杭州灣跨海大橋選擇斜拉橋,都是因地制宜的結果。

        隨著造橋技術的進步,越造越長的跨海大橋也開始流行起混搭風了,鼎鼎大名的瀨戶大橋就是由2座斜拉橋、3座懸索橋和3座桁架橋組合而成的。

        樁基工程是現代跨海大橋長命百歲的根基

        所謂“萬丈高樓平地起”,斜拉橋也罷,懸索橋也罷,想要長命百歲的關鍵在于樁基工程。而要做好樁基工程,除了整體設計必須合理之外,還在于橋梁的整體防腐技術。

        跨海大橋建設中普遍采用混凝土預制樁,施工時則主要采用沉井法,即將預制好的沉井浮到樁位后,打通底板進水,等其沉到海底后再進行鉆孔灌注砼成樁。但那些水流湍急、風浪很高的海域,不具備現場澆筑的條件,只能放棄混凝土預制樁改采用鋼管樁??绾4髽蚬こ趟褂玫匿摴軜叮际窃诠S內整體加工一次成型的。在鋼板被卷成鋼管之后,每根管子還必須進行內外兩次弧焊。焊完了還不算完,由于鋼鐵容易被腐蝕,這些鋼管樁在出廠前還得解決腐蝕問題。

        1909年建造中的曼哈頓大橋(懸索橋)

        上圖:引橋的建設

        右圖:索塔的建設

        在現代跨海大橋中超過90%是鋼結構或鋼筋混凝土結構,海水對鋼鐵的腐蝕是一個不得不面對的難題。傳統(tǒng)的做法是在鋼管樁的結構厚度之外,再給鋼管樁增加5~6厘米的富余厚度,以此來應對海水的腐蝕。這種做法雖然能保障大橋的使用期限,但也導致了建設成本的大幅度提高。隨著現代科技的發(fā)展,給鋼管樁穿“防護衣”的方式因其既經濟又好用,逐漸成為跨海大橋建設中的主流。

        在杭州灣跨海大橋工程中,設計者為鋼管樁設計了高達3層的防護。第1層防護:在鋼管樁1.9厘米的結構厚度基礎上增加了3毫米的富余厚度。以海水每年腐蝕0.1毫米的速度估算,這額外增加的3毫米富余厚度可應付30年。第2層防護:在被海水浸沒的鋼管樁里面澆入鋼筋混凝土,這樣即便外面的鋼管樁被腐蝕了,里面的鋼筋混凝土仍可繼續(xù)發(fā)揮樁的作用。第3層防護:在鋼管樁的外面涂上了防腐蝕的涂料,同時對涂層進行陰極保護。有了這3層防護,鋼管樁就像穿上了一套價廉物美的防護衣,不但能抵御海水的侵蝕,還直接節(jié)約了4.5億元資金。

        別以為只要做好鋼管樁與外部鋼結構的防腐工作就萬事大吉了,包裹在混凝土中的鋼筋也有防腐的問題。由于混凝土通常是多孔的,海水能從混凝土的孔隙中鉆進去侵蝕鋼筋。咸水使鋼材生銹膨脹,從內部不斷地擠壓混凝土。就像種子發(fā)芽似的,當內部壓力增加到一定程度時,混凝土就會出現碎裂。

        看到這里,或許你會說“哎呦喂,趕緊給鋼筋也涂上防腐蝕的涂層呀!”這不是說不可以,只是由于鋼筋的數量太多,全部涂上防腐劑涂層的代價太昂貴,只能對腐蝕嚴重的部位和特殊構件采用這種防腐措施。因此最經濟的做法還是從源頭解決問題,即從一開始就確保鋼筋不會與咸水接觸。此外,跨海大橋建設中所使用的混凝土必須是經過改良的,具有比普通混凝土更堅固、氣孔更少的特性,從而最大可能地杜絕海水與鋼筋的直接接觸,務求確??绾4髽蚰苓_到設計的使用年限。

        先進的建造工具是現代跨海大橋得以建成的保證

        在建造悉尼海港大橋時,還沒有什么高科技的技術,完全是工人拿著錘子一個釘子一個釘子敲出來的。不過到了現代,這種全靠人力的做法已經行不通了?,F代的跨海大橋建設已成了技術的比拼,將古人所說的“工欲善其事,必先利其器”發(fā)揮得淋漓盡致。

        由于跨海大橋延伸到海里,因此打樁時得用上專門的打樁船。具有世界先進水平的多功能全旋轉打樁船,不僅能做到360度全角度打樁,還配裝有GPS定位系統(tǒng),能將誤差控制到最小。在現代跨海大橋建設中箱梁基本是預制的。因此當箱梁造好后,須由專門的施工船完成運送和架設任務。這種架梁起重船不但起重能力強,還能抵抗波浪,特別適合在海中作業(yè)。在海中架梁不像陸地上那么簡單,得充分發(fā)揮“守株待兔”的精神。當施工船載著箱梁抵達預定施工海域后,不能盲動,得等到架設的最佳潮位才能動手。要是海面情況不如預期,就有可能無功而返。

        別以為海上架梁不容易,灘涂上架梁就容易了。由于灘涂不受力,在施工時得先搭施工棧橋。不過施工棧橋雖然讓施工變得便捷了,卻有一個致命的缺陷,即相對于巨型混凝土箱梁來說,施工棧橋的承重力不夠大,沒法承擔將箱梁運進灘涂的任務。這時候就只能采用“梁上架梁”的施工辦法,即利用已經架好的箱梁,用架梁機把新箱梁運送到前端,逐步推進架設。氣勢宏偉的跨海大橋,就是這么沿著灘涂一點點、一節(jié)節(jié)地向海里推進的。

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