[分享]世界最高桥北盘江大桥成为“山区大跨径钢桁梁斜拉桥建设范本”

发表于2017-04-25     3727人浏览     7人跟帖     总热度:735  

摘要:北盘江大桥主桥采用主跨720米钢桁架梁斜拉桥方案,全长1341.4米,桥面到谷底水面垂直高度565米,相当于200层楼高——这也是世界最高的大桥。近日,“北盘江大跨度钢桁梁斜拉桥建设与养护管理关键技术研究”通过验收。

世界最高桥北盘江大桥成为“山区大跨径钢桁梁斜拉桥建设范本”-北盘江大桥

北盘江大桥

世界最高桥北盘江大桥成为“山区大跨径钢桁梁斜拉桥建设范本”-北盘江大桥上部结构施工

北盘江大桥上部结构施工

世界最高桥北盘江大桥成为“山区大跨径钢桁梁斜拉桥建设范本”-北盘江大桥上部结构边跨顶推施工

北盘江大桥上部结构边跨顶推施工

世界最高桥北盘江大桥成为“山区大跨径钢桁梁斜拉桥建设范本”-北盘江大桥4号索塔下塔柱施工

北盘江大桥4号索塔下塔柱施工

    北盘江大桥位于贵州省六盘水市水城县都格镇,是杭瑞高速公路贵州省毕节至都格(黔滇界)公路的三座大桥之一。大桥跨越云贵两省交界的北盘江大峡谷,与云南省杭瑞高速公路普立至宣威段相接。

  大桥由云贵两省合作共建,大桥主桥采用主跨720米钢桁架梁斜拉桥方案,全长1341.4米,桥面到谷底水面垂直高度565米,相当于200层楼高——这也是世界最高的大桥。北盘江大桥是杭瑞高速公路毕都段的控制性工程,从施工到建成历时39个月。

  大桥建成通车使云南宣威城区至贵州六盘水的车程从此前的5个小时左右缩短为1个多小时,成为了贵州省继2015年年底实现县县通高速公路之后高速公路建设领域浓墨重彩的一笔。

  4月12日至13日,由贵州高速公路集团有限公司承担的交通运输部重大科技项目“都格北盘江大跨度钢桁梁斜拉桥建设与养护管理关键技术研究”(简称北盘江大桥科研项目)顺利通过交通运输部科技司验收。验收专家组认为项目研究成果总体上达到国际先进水平,其中钢桁梁整节段梁底轨道纵移悬拼施工新工艺处于国际领先水平。

  “北盘江大桥科研项目”是交通运输部2012年度西部交通建设科技项目,由贵州高速公路集团有限公司协同中交公路规划设计院有限公司、西南交通大学、贵州省公路工程集团有限公司和中交第二航务工程局有限公司共同承担。

  “贵州西部山高谷深,地质条件和气候条件复杂,但成就了一系列世界级山区大跨径钢结构桥梁的建成通车。每一座桥梁的建设都离不开建设者的创新、创造,都为区域经济发展提供了更多的机会。”贵州省交通运输厅科技处处长康厚荣表示。

  “边研究边施工”是“北盘江大桥科研项目”不断推进的制度保障。建设单位和科研单位协同合作,不仅完成了科研任务,还按期实现了北盘江大桥的通车。“北盘江大桥科研项目”的研究成果不仅包含了大跨径钢桁梁斜拉桥结构体系和主梁构造方案,还研发了关键施工环节的配套设备、研究并开发了施工管理系统软件、建立了关键部位疲劳损伤监测评估方法、提出了运营和应急管理决策策略。

  “我们希望通过北盘江大桥的建设过程,形成山区大跨度钢桁梁斜拉桥的建设的理论体系和经验方案,提高此类桥梁的建设效率,让北盘江大桥成为山区大跨径钢桁梁斜拉桥的建设范本。”贵州高速公路集团有限公司党委副书记、总经理吴俊说。

  设计有道

  “有什么样的施工环境,就有对应的桥梁结构体系设计方案,科研是提升设计质量的重要保证。”

  山川风雨,黔路难行。贵州西部地区多是遍布峡谷的山区,地形地貌非常复杂。但勇敢的建设者将这里打造成世界级大桥的“高地”:世界最大主跨钢桁梁斜拉桥鸭池河大桥、世界第六大跨径钢桁梁悬索桥坝陵河大桥、世界最高钢桁梁斜拉桥北盘江大桥、世界最长单跨钢桁梁悬索桥清水河大桥……

  钢结构成为了山区大跨径桥梁的主要形式。“对于主跨跨径500米至800米的山区大跨径桥梁,钢桁梁斜拉桥在经济性上具有很强的竞争优势,不需要悬索桥锚碇等大体积结构的基坑开挖和弃土处理,对环境影响小。我们还结合了北盘江大桥运输、架设的可行性,确定了采用钢桁梁斜拉桥方案。”北盘江大桥设计单位中交公路规划设计院有限公司(简称中交公规院)副总工程师彭运动在接受媒体采访时表示,“有什么样的施工环境,就有对应的桥梁结构体系设计方案,科研是提升设计质量的重要保证。”

  设计初期,中交公规院研究了主跨720米钢桁架梁斜拉桥方案桥、主跨672米钢桁架梁斜拉桥、主跨672米钢桁架梁悬索桥、主跨800米钢桁架梁悬索桥等方案。在综合比较结构安全、投资造价、施工可行、环境影响等因素后,最终确定了主跨720米钢桁架梁斜拉桥方案桥。

  世界第一高桥的建成离不开科研成果支撑,基于“北盘江大桥科研项目”提出了与板桁组合相适应的“中纵梁+大次横梁”结构体系,提高了结构受力性能。对大量“桁—板焊接连接”实测不同焊接条件下的焊接变形量进行了统计分析,得出焊接变形量分布规律,提出减少焊接收缩变形的有效措施;并通过焊接变形模拟计算分析,评估焊接对桥面板和主桁受力的影响;确定了正交异性钢桥面板与钢桁梁合理的连接构造和工艺。

  项目研究成果有效解决了北盘江大跨径钢桁梁斜拉桥的关键技术难题,支撑了大桥的高质安全建成。板桁结合加劲梁的设计及研究成果为山区同类桥梁提供参考和示范。

  施工有策

  “新工法遭到质疑甚至反对都在情理之中,但是未经论证就一棍子打死,谁还敢创新?”

  云贵交界的北盘江大峡谷两侧奇峰林立,四处都是悬崖峭壁,要想在距谷底200多层楼高的半山腰处架起一座3万吨的钢桥,谈何容易?

  北盘江大桥施工场地狭窄、运输施工条件极差、施工起重和吊装能力受限制,无法直接起吊安装钢桁梁节段。科研团队分别对边跨顶推、中跨桁片拼装及整体悬拼施工方案进行了课题研究,并针对纵移悬拼新工艺开展了足尺工艺试验。

  在半山腰上施工,生活用水靠水车往上拉还算能应付过去,但大量施工用水不得不想别的办法。中交二航局都格北盘江大桥项目总工程师王超与同事不得不建起三级泵水系统,把江水泵到565米高的桥面上。为了给水泵供电,项目部特意在谷底建了一个小型变电站,30多个人沿着40厘米宽的山路耗时1个月才将这台1吨重的设备肩扛棍撬到谷底。

  另外,呼啸于山谷之间的横风也给北盘江大桥的建设者增添了无尽的烦恼。大风超过6级,建设者就要停止施工,每年春季,留给建设者的施工时间窗口不足工作时间的一半。

  其实,北盘江大桥立项之时,建设者已对这些困难心知肚明。

  2012年,在北盘江大桥立项之后不久,交通运输部西部交通建设科技项目“北盘江大桥科研项目”也随即立项,以给这座当时跨径最大的钢桁梁斜拉桥提供技术支撑。

  科研立项和技术创新应当以需求为导向,以解决施工过程中出现的问题,提高施工效率。

  顶推施工是桥梁边跨架梁施工作业中常常采用的工法,而常规的拖拉顶推作业会对建设完成的高墩或主塔产生横向水平作用力,进而对桩基产生破坏,影响主塔的稳定性。

  为此,北盘江大桥贵州岸在边跨架梁施工中拟引入自适应多点步履式顶推施工方案。“虽然我们在大跨径钢箱梁大桥边跨施工中应用过这类顶推方案,但对于北盘江大桥大跨径钢桁梁结构以及超高的桥身,顶推方案是否可行还需要论证。”王超说。

  王超带着问题与可研项目组的专家共同论证方案的可行性。“这一方案对于顶推设备的要求非常高,除了需要向上顶起梁片,向前推进梁片外,还要能够水平调整保证梁片位置的准确。”王超协同课题组对之前在坝陵河大桥采用的顶推设备进行重新设计改造,以适应北盘江大桥特殊的施工条件。

  改造后的顶推设备达到了预期的施工效果,这一专利还获得了“中国专利金奖”。

  当时,在无通航河道的山区峡谷修建跨径达720米的钢桁梁斜拉桥在国内外尚属首次,设计单位和施工单位都承担着巨大的压力。“无通航”意味着无法通过舶船运输将拼装好的节段梁运送至拼装位置再进行吊装作业,梁片吊装只能按照设计方案进行梁上逐片吊装。

  计划赶不上变化,由于多种客观原因,云南岸未能如期开工,这一拖就是10个月。施工进度要想赶上对岸的桥梁建设劲旅,原设计方案中的主梁吊装方案不得不进行调整,北盘江大桥18标(云南岸)项目经理周大庆为此花了大量心思。

  在主塔施工过程中,周大庆就琢磨主梁架设的技术。由于桥梁距谷底高差太大,采用支架固定梁体不现实,只能一边架梁一边安装缆索,而缆索又阻碍了桥上架梁吊装作业。周大庆翻遍了相关的文献,终于在主梁整体节段架设工艺中找到了灵感,提出采用整节段纵移悬拼工法,通过已架设的梁底滑行吊装钢桁梁整体节段。

  纵移悬拼工法挑战着部分技术人员的接受底线,也遭到了业内专家的质疑。这项工法往往精准度较差,难以保证两组梁对接过程中600个螺栓能够精准对接到对应的螺母中;还有人担心160吨重的节段组梁吊在梁下会对已架设的钢桁梁结构产生影响。

  “新工法遭到质疑甚至反对都在情理之中,但是未经论证就一棍子打死,谁还敢创新?”贵州高速集团项目办主任周平说。

  随即,由周大庆参与的研究团队将整节段纵移悬拼工法作为重大关键技术进行研究和论证,并通过等比例钢桁梁节段纵移悬拼工艺试验,验证了方案的可行性,同时还对研发的吊装控制系统、桥面吊机及节段运输系统的实用性进行了检验,回应了各方质疑,不仅得到了现场技术人员的认可,还得到了贵州省交通运输厅和贵州高速公路集团相关领导的支持。

  新工法使中跨架梁效率得到大大提升,提前完成了主跨钢桁梁架设任务,保证了大桥顺利合龙。

  通过钢桁梁斜拉桥主梁施工架设方案研究比选,北盘江大桥施工过程中两侧边跨主梁分别采用拖拉式顶推与步履式顶推工艺;通过科研课题组的深入讨论,主梁架设方案中贵州岸中跨钢桁梁采用了桥面吊机桁片拼装施工工艺,云南岸中跨采用了纵移悬拼施工工艺,并形成了企业施工工法

  运营有方

  从人工巡检到机械设备自动巡检,从“用眼看”到“数据说话”,桥梁养护朝着更精准、更高效的方向迈进。

  作为“北盘江大桥科研项目”的主要参与方,中交公规院的设计团队对北盘江大桥施工区域地形地貌、气候条件、地质构造、工程和水文地质条件进行了详细的勘测,尤其是对桥身稳定性影响较大的桥位区风参数特性的观测和研究。

  “山区的风受温度变化和地形条件的影响较大,具有较强的非平稳性,因而以往对自然风场的认识和经验公式已不适用于山区尤其是具有典型非平稳特点的深切峡谷风特性环境下的设计和施工。我们的设计必须基于实际的风场特性。”彭运动说。

  在开展北盘江大桥桥位周边风特性历史资料收集工作的同时,科研团队还在桥址区建立了风速同步观测站,实时采集风场信息。在此基础上,科研团队完成了桁架梁风荷载的抖振风洞试验和风—车—桥风洞试验,并根据实测数据研究了非平稳下的大跨度钢桁架斜拉桥抖振响应问题,最终建立了山区峡谷自然风场非平稳数学模型;确定了非平稳风作用下的等效静风荷载研究方法;确立了山区大跨桥梁车辆行驶安全性及驾乘舒适性的评价准则。

  这些成果指导着运营养护管理。运营单位根据实时风场信息进行限流、限速,养护单位根据桥梁监测信息针对薄弱环节和高风险部位进行集中养护,提高养护效率。

  其实,“北盘江大桥科研项目”除了关注风场对大桥的影响外,还关注了桥梁全寿命周期的运营养护。

  “桥梁健康状况监测和养护系统在设计阶段就完成了,监测和检测设备的载荷都已经考虑在桥梁结构设计方案中,省去了后期添设该系统的论证和设备安装工作。”中交公规院贵州分公司张杰介绍说,“大桥关键部位的传感器会向后台传递应力、位移等的变化信息,通过与设计最大变化量之间的比较就能发现问题部位,然后进行针对性养护。”

  桥梁结构运营安全监测系统成为了北盘江大桥贴身桥梁健康咨询专家,实时监测桥梁健康状况。

  另外,这些数据信息还能用于大桥安全预警及应急管理。科研团队通过对浓雾、冰冻等自然气候条件下的结构受力分析评估,为北盘江大桥工程建设规避自然灾害风险、运营管理应急系统提供决策依据。

  从人工巡检到机械设备自动巡检,从“用眼看”到“数据说话”,桥梁养护朝着更精准、更高效的方向迈进。

  从2015年年底实现县县通高速公路以来,贵州省高速公路建设不断向社会展示着创新发展的成果。北盘江大桥作为其中的典型,正在不断向外输出贵州高速公路建设科技创新模式。

(来源:贵州省交通厅)

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