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“基建狂魔”太牛了,断裂带上也能修大桥

  • 2018-04-16 09:26
  • 专业分类:桥梁工程

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士


所谓桥梁,本身就是跨越江河湖海、峡谷道路,以让车辆行人能够通过的建筑物,不管跨越什么,对于我们“基建狂魔”中国人来说通通不在话下,但唯独有一种东西,即使对于中国而言,跨越起来也有相当的难度,那就是断裂带。


海南铺前大桥,就是中国第一座跨越地质断裂带的大型桥梁。它的出现,打破了中国桥梁建筑史上的四项纪录,难度之高令全世界的同行瞩目。


跨越一个断裂带,怎么就能让大桥变得如此“高大上”?这就要从断裂带的特征开始说起。


(铺前大桥效果图)


(一)桥梁跨越断裂带,究竟难在哪里?


铺前大桥位于海南岛东北,是连接海口和文昌两市的跨海大桥。它全长5.597公里,其中跨海大桥长约3.8公里,两岸接线长约1.9公里,全线采用双向六车道一级公路标准建设。


铺前大桥所要跨越的铺前——清澜断裂带包含三条地质断层,其中一条是一个全新世活动断层,这里是1605年琼山7.5级大地震的震中所在地,至今始终保持着活跃。


断裂带是地壳断块差异运动的接合带,断层两侧的岩石之间会发生相对位移,因此,为了大桥稳固性考虑,工程师们在选线时都会努力避开断层。但铺前大桥所处的位置与断裂带完全重合,一段全长581米的引桥中两个桥墩必须直接跨越活动断层。


这就意味着,断层地质活动几乎必定会使这两座桥墩间的距离、高度差发生变化。这种变化往往还不是缓慢发生的,而是要伴随着剧烈的断层地震。铺前大桥所在的位置地震动峰值加速度为全国最高,因此大桥的抗震设防烈度也达到了全国最高的九级,对跨越断层的桥梁段还要进行专门的抗震设计。



铺前大桥处的地震模式是近断层地震动,它强烈依赖于断层的破裂机制,包含明显的破裂方向性效应和地面的永久位移。


相比起一般地震,近断层地震会产生明显的速度脉冲显著的竖向地震动,破裂方向性效应以及上下盘效应。它会使得上面的桥梁结构产生较大的内力、速度和位移冲击,造成“撕裂作用”,引起结构破坏甚至连续倒塌。


这种近断层地震动最大的危害就是速度脉冲,它就像一个拳头一样砸在大桥上,瞬间带来大量的能量。在大桥设计时,这意味着大桥整体的抗震能力必须成倍提高。


除此之外,在跨越地震带的位置,大桥的刚度还必须被额外加强,这样才能起到足够的抵抗瞬时速度脉冲的作用。



(二)如何让大桥在断裂带上保持稳定?


要想在断裂带上修建大桥,首先要准确地勘探海底断层。


在海域中探寻断层在工程中少有先例,很难通过既有的勘探技术进行勘探。为此,铺前大桥项目开展了专项研究,结合项目特点,采用海域浅层地震勘探与钻孔相互验证,用多道与单道纵波反射法相结合,发现了岩层中的断点,进而逐步计算、逼近,最终确定断裂带的形状和性质。


将断裂带研究透之后,再结合断裂带的性质,有针对性地进行大桥的设计。铺前大桥采用了半漂浮与阻尼器相结合的抗震体系,可以有效地消解并吸收地震力。


所谓半漂浮体系,指的是桥梁的梁与塔、墩之间并不刚性联结,而是通过滑动支座联结。在地震时,全斜拉桥可以纵向摆动,避免结构共振,达到抗震消能的目的。


另一方面,为了防止地震力作用下主梁的位移过大,还在这些支座处设置了阻尼器来吸收地震的能量。这些阻尼器同时还可以起到抗风的作用,对维护大桥的稳定性起到至关重要的作用。


(E型钢阻尼器,通过金属的变形来吸收地震力)


地震力随结构的重量增大而增大,因此,大桥的主梁采用的是自重较轻的钢箱梁以尽可能减小地震作用下主梁对桥塔的惯性力,同时采用连续结构体系,以提高大桥的整体稳定性,但在跨断裂带的部分,大桥的设计与其它部位不同。


跨断裂带部分的桥体采用的是简支钢箱梁结构,梁段之间相互不连接。在大震作用下,断层之间发生错动,这样即使局部的桥段发生破坏,也不会影响大桥的整体稳定性,并方便震后的维修。


(三)既要抗震又要抗风,铺前大桥如何设计?


除了抗震,铺前大桥所处的海南岛北部还是著名的强台风多发区,每年夏天台风的袭扰犹如家常便饭。因此,铺前大桥采用了斜拉桥的结构模式。


相比起柔性的悬索桥,斜拉桥不容易随着大风发生共振,进而发生结构摆动过大甚至垮塌。斜拉桥的斜拉索可以将刚性的钢箱梁桥面板紧紧拉住,在风力作用下不会发生太大的响应。


大桥专门开展了铺前大桥抗风性能和行车风环境专题研究,优化了主梁的断面布置,并通过设置横向阻尼器抗风支座、设置风屏障等方式,极大地提高了大桥的抗风能力和震颤稳定性,让大桥的设计基准风速达到全国最高的49.5m/s,能抗17级台风。



铺前大桥拥有海南全省最高的斜拉索塔,它高达151.8米,塔身采用箱形变截面,从上到下依次加粗,塔底设32根4.3/4.0m大直径钢管复合桩,索塔整体呈“文”字型结构。


索塔是斜拉桥建设的重中之重,全桥的重量都通过斜拉索传递到索塔之上。考虑到防风和抗震的需求,铺前大桥的索塔必须极其稳固。


为了修建索塔的桩基础,施工部门专门搭设了钻孔平台进行钻孔桩施工,钻孔桩需要深入水下基岩,而岩石强度高、桩径大,因此采用液压回旋钻机气举反循环工艺成孔,之后采用门式起重机安装钢筋笼,导管法浇筑预先在岸上拌好的水下混凝土。


(气举反循环钻进施工法)


气举反循环钻进是一种特殊的施工工艺,它以压缩空气注入钻杆内孔至一定深度,再与冲洗液混合形成低密度的气一液混合液,使钻杆内外液体密度产生差异。


这一压力差造成冲洗液反向循环的钻进,同时将废渣带出。孔深增大后,再相应地增加供气量和供气压力,让钻杆内获得理想的反向上升速度,从而得到很好的钻进效率。


采用这种类似于“空气炮”一样的钻进方法,可以将钻进效率提高80%,并最大限度地提高钻孔桩的质量。


值得一提的是,为修建钻孔桩而搭设的施工平台本身也需要靠桩基来支撑,这些附属于施工平台的桩该如何施工呢?事实上,施工平台采用的是小巧而轻便的钢管复合桩,这些桩是通过打桩船与液压振动锤来直接进行整根的一次性沉放的。


这种先搭建施工平台,再进行主体结构施工的由易到难的施工模式在大型工程中十分常见,它看似增加了施工工序,拖延工期,实则磨刀不误砍柴工,大大增加了总的施工效率。


除了桩基外,索塔的承台施工也是一大技术难点。承台的体积达4000立方米,加之强度很高,质地较脆,极易由于温度变化而产生裂缝。因此,施工单位在混凝土的浇筑体内,预先埋设了冷却管,在混凝土硬化过程中通水冷却,并布设传感器实时监控混凝土的温度,防止冷却水与混凝土温差过大造成温差裂缝。


结语


除了结构上的世界纪录外,铺前大桥在项目管理模式、信息化水平等方面也都创下了全国的先例,它将作为成功的工程案例被载入史册。


到2018年底大桥建成后,往返海口和文昌铺前的车程将从90分钟左右缩减为30多分钟,这将极大地带动铺前地区的旅游发展,也有利于文昌借助更加便利的交通优势,更好地融入琼北旅游圈。



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