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世界大跨度三塔自锚式悬索桥建成通车

TIME:2022-06-13

  济南是我国黄河流域少数几个处于地上悬河段的省会城市,多年来,黄河一直是制约济南城市发展的一道天堑。今年通车的济南黄河凤凰大桥采用“公轨同层,轨道居中”的设计方案,集约利用过河通道资源,降低工程规模,节省工程投资,并兼顾景观效果,促进了黄河两岸的经济社会发展。

  济南黄河凤凰大桥全长3788米,是世界大跨度三塔自锚式悬索桥。建设之初,中交建设者就确立了高品质建桥的目标。通过采用多项先进工艺技术,攻克了诸多施工难题,确保了项目顺利建成。

  “化整为零”建桥

  

  济南黄河凤凰大桥钢结构施工体量大,总用钢量约11.4万吨,相当于2.7个鸟巢外部结构。主桥长1332米,两个主跨均为428米,桥面宽61.7米,相当于3个和谐号动车头车的长度。大跨径、超宽桥面的设计为施工带来了挑战。

  主桥钢箱梁共计4.7万吨,大节段重量约390吨。“保质保量如期完工的关键之一是要保证大量钢材,特别是钢箱梁节段的质量,并解决大型钢箱梁的运输、拼装和架设等问题。”项目负责人韩景磊说。

  由于黄河不通航,整体运送钢箱梁的方案无法实施。项目部提出“化整为零”的运输方案。“我们像蚂蚁搬家一样,把节段分成零散的部分,分别运到现场再拼好。”韩景磊解释道。

  项目部采用“三地”建造模式,即钢结构制造基地制作单元件、济南拼装场地总拼、桥位处提梁焊接的方式,大限度利用工厂标准化、机械化、自动化加工的优势,有效确保了钢箱梁的质量。

  “钢结构板单元在专业加工厂制作,后运至现场拼成9米长、61.7米宽的节段。无线遥控的自平衡运梁车运输节段到封闭厂房进行喷砂和涂漆,然后再运至提梁站,采用4台200吨连续提升千斤顶吊上桥面。”项目技术负责人吴在雄回忆整个过程,他说,“一岸的箱梁提上去后,我们还要将其往对岸架设,配合全桥共104套1200吨的步履式千斤顶同步进行顶推。”

  项目部在大桥南北两岸各设一处提梁站,并进行了改造,实现“一站多用”的功能。“以往的提梁站只能往一个方向顶推,如果要转换方向,差不多要推倒重建。我们对提梁站进行了改造,在完成主桥吊装任务后,可实现反方向钢箱梁的吊装顶推。”吴在雄说。

  2021年国庆节前,大桥通过交工验收,建设品质得到业主、监理单位的一致好评,为大桥顺利通车创造了有利条件。

  “千丝万缕”完成精妙转换

  

  大桥作为世界大跨度三塔自锚式悬索桥,共设置2根主缆,采用双索面空间线型。单根主缆长1200余米,每根主缆由61束索股组成,每股又有127根直径6.2毫米、抗拉强度1960兆帕的合金高强度钢丝。

  “保证大桥建设高品质,控制主缆索股架设精度、索股张力匀值性、索夹初始安装位置和后续体系转换等是工程的重难点。”吴在雄说。

  项目部首创标尺索股法架设主缆,即在出厂前预整形并在特定位置做好标记,现场对照标记点毫米级入鞍及锚固,微调后即可实现索股线型的高精度需求,这在国内同类项目中为首次采用。同时,采取“白天牵引、夜间调索”的模式,力求安全地完成主缆架设。

  另一个难题就是大桥受力结构的体系转换,即通过有顺序的吊索张拉,将原来临时墩承受的主桥上部结构荷载,逐渐转换到缆索系统受力。

  钢砼组合箱梁的重量大,总共加起来近6.5万吨。主缆是空间缆结构,再加上三塔的结构,整个体系转化过程是很大的挑战。“体系转换是全桥建设的重中之重,高精度的转换工艺既是保障桥梁品质的关键,也直接关系到受力结构是否达标及后期运营状态。”吴在雄说。

  项目部针对自锚式悬索桥空间缆独有特点,多次优化施工方案,邀请专家参加评审。终,通过采用合理的张拉顺序、多点分级张拉、三次索鞍顶推、横向临时拉索、配重混凝土分次浇筑等措施确保了主桥缆索体系顺利施工。依托该施工工艺,研发出新型吊杆张拉装置及横向临时拉索系统,提高了施工效率并申报了发明专利。

  千里之外遥控“巨龙”

  

  伴随着智能化、信息化技术的发展,高品质桥梁不仅在建造过程中越来越注重应用新型科技,同时其自身也成为了新技术的摇篮和试验田。在黄河凤凰大桥,一项名为“超宽长联钢箱梁步履式自平衡智能顶推”的新技术极具代表性。

  该技术有智能协同、实时自适应控制的特点。无人值守步履式顶推设备搭配智能监控平台可实现长联钢箱梁高精度智能化顶推,应用前景广泛。

  2020年春节前后,新冠疫情爆发,回武汉过年的顶推技术人员无法及时返岗。接到复工指令后,二航局武港院肖爽等12名技术员从湖南赶到凤凰大桥建设现场。

  “基本上都是北岸顶推完,南岸接着推,之后北岸又开始。”肖爽回忆起初的情况说,“一次顶推9小时,要全程盯着屏幕,结合2000多个数据点的反馈信息,时刻关注设备线性和同步性。当钢箱梁逐渐变长,投入设备越来越多,顶推系统联合调试力量不足的矛盾开始出现了。”

  为了解决问题,顶推团队想到了互联网远程控制技术。他们紧急联系武汉的控制系统开发工程师邱未,利用“向日葵远程控制软件+微信视频连线”的方式,将相隔千里的武汉办公室和济南现场联系起来。

  远程力量推动了工程进展,也带来了新的问题。高峰期预计有50台设备同时运转,怎样保证设备步调一致?这成了肖爽心头的困惑。

  “这要通过现场监控及测量,得出各控制单元的速度调整指令后,通过总线传输反馈到各控制单元,再根据指令按比例降低各设备的实际速度,终实现同步。”邱未说。

  分散在济南和武汉两地的智慧力量,经过多番彻夜的远程交流,合力将编写好的程序输入到分控箱中。智能协同系统实现了自动检测100多台顶推设备动作是否到位、设备与梁面是否贴合、梁体与支撑墩是否脱开等的理想效果。

  仅需0.1秒,系统就能筛选出佳标准路径,且误差值控制在5毫米。系统还具有学习功能,根据录入数据的更新,不断“丰富知识”,全自动、无人化的顶推轻松实现。

  新工艺不仅能实现现场无人同步顶推,过程还无噪音污染。钢箱梁前探的导梁上,竟有鸟儿筑了窝,时刻在前进的庞然大物,鸟儿竟然能不受顶推干扰,安然筑巢。

  2021年6月,中国公路学会在武汉组织召开科技成果评价会。会上经专家评价,“无人化顶推技术”科技成果被评为国际领先水平。

  “凤羽”建环保桥

  

  钢结构在大跨径桥梁中应用广泛、优势明显,但大量工程实践表明,时间一长,钢桥面板容易出现疲劳裂缝问题。这些病害严重影响到钢桥面的耐久性和使用性能,甚至可能给桥梁安全带来隐患。

  高品质建设不能给桥梁留下安全隐患,项目部将目光聚焦到“超级混凝土”上,这也是除了无人无噪音的顶推工艺外,大桥另一项显著的环保特征。

  “超级混凝土”也叫超高性能混凝土,其抗压与抗折强度是普通混凝土的5到10倍;韧性非常好,抗断裂性能是普通混凝土的250倍,仅次于钢材;耐久性更好,可以作为桥面板的磨耗层而不需要任何额外的保护措施。同时,它内部结构致密,几乎没有毛细孔,仿佛一层强力的“凤羽”,保护桥面不受液体或者气体渗透,能经受强腐蚀环境下的严苛考验。

  吴在雄介绍,钢桥面上先铺设8厘米厚的超高性能混凝土,再进行沥青铺装,形成超高性能轻型组合桥面结构。与常规的钢桥面沥青铺装相比,这种组合结构优点明显:“超高性能混凝土层显著提高了桥面板的刚度,消除桥面板疲劳开裂风险;在运营中超高性能混凝土层无需更换,仅需对铺装沥青层定期翻修,价格低廉、施工便利;超高性能混凝土层厚度薄、自重轻,更适用于大跨径钢桥。”

  尽管超高性能混凝土价格较高,约为普通混凝土的10倍。但其用量更小、使用寿命更长、后期养护成本更低,还能降低50%以上施工期间的二氧化碳排放,更为绿色环保。在施工现场,超高性能混凝土布料摊铺整平,由布料、整平及养护一体机设备完成,自动化程度高、平整度控制精度高、且大大节省了人工。

  “大桥以‘华山记忆’为灯光主题,采用多组立杆大功率投光灯,从3个方向照亮桥塔,有机融入黄河生态景观风貌带。”韩景磊介绍大桥的灯光布置。“重要节日大桥会开启特色的节庆模式,色彩动态随节日气氛变化,未来可成为济南新的网红打卡点之一。”

  建成后的大桥连接黄河两岸,为深入推动黄河流域生态保护和高质量发展提供坚实的交通保障,也对完善区域规划路网、提高路网运输能力、改善区域交通出行环境发挥巨大作用,对推动济南新旧动能转换起步区建设、扩展城市发展空间,促进济南经济发展具有重要意义。

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