激活时空在云雾缭绕中筑起云巅之桥——阳宝山特大桥横跨独木河大峡谷通车运营

2022年8月1日
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编者的线日,贵黄高速公路全线建成通车,打通了贵阳东出长三角经济区最便捷的高速通道。通车后,贵阳到黄平的行车时间从原来的3个半小时缩短到现在的1小时20分钟。这让贵定、仙桥、陆坪等世居大山深处的少数民族同胞从此迎来了出行便捷的高速时代,成为通村入寨的“幸福路”。

2021年7月,央视大型纪录片《大国建造》以“探寻建筑工程的奇迹”为主线,探秘新地标背后的“中国制造、中国建造和中国创造”。全片第一集《极限挑战》记录了贵州第一座六车道山区悬索桥——阳宝山特大桥最艰险的钢梁吊装高空作业。

一年后的今天,在大桥通车运营之际,本报采访了阳宝山特大桥的设计总负责人冯云成、项目总工程师郭瑞、设计负责人翟晓亮,请他们带我们再次感受这一云巅之桥在山谷气候复杂多变、全年平均大雾高达182天背后建设的极限挑战。

冯云成,中交第一公路勘察设计研究院有限公司副总工程师,阳宝山特大桥设计总负责人。曾荣获“2017—2018年度十大桥梁人物”称号,主要从事大跨度桥梁设计、研究和咨询工作。主持设计完成南京长江第二大桥北汊桥、宿淮高速公路五河口特大桥、珠江黄埔大桥北汊桥、厦漳跨海大桥南汊桥、川藏公路(西藏境)通麦至105道班段整治改建工程通麦大桥和迫龙沟大桥、安徽池州长江公路大桥(联合体)、湖北武穴长江公路大桥(联合体)、贵阳至黄平高速阳宝山特大桥和云南南盘江普者黑大桥等多座有影响力的特大型桥梁。

冯云成:贵黄高速公路是贵阳东出长三角经济区最便利的高速通道,项目的建成进一步发挥贵阳作为西南交通陆路交通枢纽的作用,对提升贵州经济,具有重要意义。阳宝山特大桥为贵黄高速公路控制性工程之一,在国内首次采用空中纺线法(AS)架设主缆。项目的顺利实施,能够使我国掌握全套的AS法架设主缆关键技术,AS法的研究及应用可使我国主缆架设工艺更加多元化,从而提升我国大跨径悬索桥建设的核心竞争力,为我国在国际市场中确立和提升国家桥梁的地位奠定基础。

一是AS法对运输、架设牵引设备的能力要求低,可满足山区运输条件差、超大跨径悬索桥、多跨悬索桥(通长主缆达2500m以上)的建设需要。

二是在隧道锚、岩锚等要求锚面较小的特殊环境适应性强,减少岩体开挖量,降低施工难度,节约工程造价。

三是AS法目前还是国外悬索桥主缆施工的主流技术,出于开拓海外市场的需要。

问:贵州桥很多地处险峻,建设难度很大,为什么说阳宝山特大桥是又一座代表性桥梁?

冯云成:阳宝山特大桥位于贵州省黔南布依族苗族自治州贵定县新巴镇和德新镇境内山区,跨越不通航的独木河,运输条件差。就地形、地质等条件而言,悬索桥是最适宜的桥型。

难题在于如何将成品缆索运送到现场。开辟临时便道费用高、运输风险也大,施工单位、设计单位经研究,召开专家论证、咨询会,制定了“空中纺线法”架设主缆方案。这是率先在国内采用了“空中纺线法”架设主缆的悬索桥,部分结构构件,如股靴、钢丝的等强连接装置、宽槽路索鞍等,在大桥上也是首次采用。

因为是首次,我们没有相应的施工设备和经验参考,这就又给设计、施工带来了技术难题。我们通过反复理论分析、研制、模型试验,不断摸索,取得了成功,同时编制了相应的检测和验收标准,虽然举步维艰,但步步为营。

阳宝山特大桥的建成可以说是我国悬索桥建设的又一个里程碑,为国内“空中纺线法”架设主缆积累了经验,为国内特大跨度悬索桥、运输条件受限地区修建悬索桥提供另一种架缆工艺。上构加劲钢桁梁吊装 贵州贵黄高速公路有限公司/供图

冯云成:阳宝山特大桥的建设有两个“首次”。国内首次采用空中纺线法(AS)架设主缆,首次采用宽槽路索鞍。

AS法架设主缆时,每根索股一般由240~560根钢丝组成。阳宝山特大桥的索股由336(320)根钢丝组成,比“预制平行钢丝索股法”(PPWS)的索股钢丝数多出2倍以上,使得索鞍的槽路宽出许多。为了验证缆索在宽槽路索鞍的抗滑移性能,我们进行了理论分析和缩尺模型试验,根据试验研究结果,槽路间的钢隔板厚度不小于12mm时,抗滑移性能可满足规范要求。该工艺可以有效解决运输条件差的山区悬索桥和超大跨径(2000m以上)、连续大跨径悬索桥主缆架设难题,且具有费用低、适用性强、智能化、自动化程度高等特点。该项技术突破性地完成了20多项技术专利。

此外,阳宝山特大桥的建设“多措并举”防止锚碇渗水。锚碇防水按I级标准设计,锚体所有部位的混凝土均采用P10级抗渗混凝土。

为防止前锚室及锚碇表面渗水,对锚碇进行防水层施工。在锚块施工缝中设置一条水平腻子型遇水膨胀止水条。遇水膨胀止水条7天的净膨胀率不宜大于最终膨胀率的60%,终膨胀率大于220%。在前锚室采用满足《地下工程防水技术规范》技术要求的钢板止水带。锚碇混凝土外表面采用长效型防腐涂层系统,锚碇前锚室混凝土内表面采用硅烷浸渍剂防水涂层体系。

冯云成:为了使大桥处于良好的运营状态,管养工作十分重要。在阳宝山特大桥设计时,我们已提前做好了检测、维修等多种管养措施。

在可达、可操作性方面:桥面设置了位于防撞护栏外侧的检修道;主桁下弦两侧各设置一条下检修道,并设置3条横向连接通道;钢桁架梁设置移动式检查车;主塔内部设置检修楼梯和爬梯,贵阳岸和黄平岸索塔上塔柱设置1部电梯;锚碇内设置检修步梯、平台、检查门和通道,共同构成进出锚体各空间的通道系统;沿主缆全长设置检查走道,同时配备检查小车。

在缆索系统除湿方面:两岸锚碇每个前锚室内设置1台除湿机,主索鞍鞍罩内各设置1台除湿机,设置主缆除湿系统。

在安全隐患方面:针对主缆系统防腐、锚碇基础渗水开裂、主缆锚碇锚固系统构造、钢桥面板铺装体系等风险,我们从原材料采购、检验环节抓起,严格控制防腐材料、防水材料、锚固系统构件、铺装材料的检验环节,严把原材料质量关。

对于新的结构构造,如钢丝连接构造、股靴构造等,必须做验证性试验检验。施工前必须先进行工艺试验,对试验结果评估后再应用于实际工程。

我们还编制阳宝山特大桥管理养护手册,保证结构安全及质量状况可控。对于大风、大雾及暴雨天气及时预警,必要时封闭交通,确保车辆运营安全。

郭瑞,中交第二公路工程局第二工程有限公司、阳宝山特大桥项目总工程师,高级工程师。主要从事大跨径索结构桥梁施工技术管理及技术研究工作。作为项目技术负责人主持修建了贵黄高速公路阳宝山特大桥、甬台温高速公路复线温州瑞安至苍南段鳌江特大桥、贵州毕都高速公路抵母河特大桥。作为技术骨干参与修建了南京至高淳新通道及宁高城际轨道二期工程、厦漳跨海大桥工程等特大型桥梁工程施工。空中纺线 贵州贵黄高速公路有限公司/供图

郭瑞:悬索桥是一种柔性桥梁结构,对风较敏感。尤其是阳宝山特大桥横跨独木河大峡谷,峡谷突风出现的概率较大,对阳宝山特大桥抗风稳定性存在不利影响。

为保证桥梁建设和运营过程中抗风安全,大桥在设计前进行了模型风洞试验,并根据试验得出的参数对大桥抗风稳定设计,主梁横断面每隔一定间距设置了抗风稳定板。同时在作为施工大桥上构缆索系统、主梁安装的重要临时结构——猫道系统中,设置了抗风稳定减震装置,保证大桥顺利施工。

另外,为减弱风对主缆纺丝的影响,在索股成型器格栅与对应的猫道门架上横梁间设置导向限位装置,防止钢丝在风荷载作用下,偏离所对应纺索股位置。

郭瑞:按照相关规定,大桥交工验收前必须进行静力和动力荷载试验,通过荷载试验可以直观地检验大桥的各项指标是否满足设计要求,达到使用性能。行业管理部门、建设单位和设计单位对荷载试验过程及结果十分关注,在试验之前就荷载试验方案进行反复研讨,具体实施荷载试验的单位编制专门的荷载试验方案,并通过了建设单位组织的专家评审。

阳宝山特大桥荷载试验包括静力荷载试验和动力荷载试验,静力荷载试验主要有包括中载对称加载和偏心加载两类加载方式,每类加载方式因测试关注点不同又分很多工况。

静力荷载试验采用48辆大货车进行加载,总载重1680t。加载过程中,现场48辆大货车分成8排,每排6辆,按照指令有序行驶到固定的位置进行加载,加载后测试组立刻进行相应的数据采集。通过荷载试验数据分析,可以有效了解桥梁结构在荷载作用下的实际工作状态,判断大桥结构的承载能力、动力特性和安全运用条件。试验结果显示,阳宝山特大桥各项指标均达到了设计要求和规范要求。

郭瑞:阳宝山特大桥位于贵州山区,在建设过程中秉持绿色环保、与桥位地形地貌相融的建设理念。大桥下构施工以“零开挖”原则,最大限度减少对原形地貌的破坏。

大桥建设过程中充分应用信息化、机械化、自动化技术,充分体现阳宝山特大桥建造技术含量。大桥主缆在国内首次采用空中纺线(AS)法架设主缆,自主研发了集放丝系统、牵引系统于一体的AS法施工集中控制系统,该系统实时控制放丝系统、牵引系统工作状态,且使两种运行系统工作状态相互匹配,同时实时监控纺丝施工全过程。

另外,该系统具有自动记录、报警、预警功能,实现了纺丝施工自动化、智能化控制,保证了施工安全,减少了施工人员的投入,提高了工效。受桥位地形条件限制,大桥上构主梁采用缆索吊配合空中旋转吊具从一岸侧起吊安装,缆索吊采用集中控制系统操控。该系统可在集中控制室及手机上远程操作操控,通过集控系统可实现多台卷扬机一键联动,提升了运行效率及操作卷扬机的同步性,保证了加劲主梁吊装安全性及安装精度。

项目部自主研发设计了装配式多功能全自动空中旋转吊具。该吊具具备吊装加劲主梁及嵌缝桥面板功能,并可在空中360度旋转,实现了加劲主梁从一岸起吊,从已安装梁段上方运至设计位置安装。吊具启动、操控可分别利用手机APP及遥控器操作,实现了自动化控制,保证了施工安全。

阳宝山特大桥主缆在国内首次采用AS法工艺架设,国内无相关建设经验借鉴,国外技术资料封锁。主缆纺丝施工缺乏各项施工控制技术指标,在此种情况下,为保证大桥建设顺利实施,建设质量满足设计要求,我们组建了由设计单位、施工单位、监控单位、大桥关键构件生产制造单位组建了产—学—研于一体的课题组,针对大桥建设过程可能遇到的各项技术难题进行攻关。

同时,为加强主缆纺丝质量控制,便于对工程质量评定及工程验收,贵州省交通运输厅针对阳宝山特大桥建设发布了专项工程质量检验评定标准,要求制索精度达万分之一、股内应力总偏差4%。

在纺丝施工过程中,项目团队严格按照技术方案实施,严控每道工序,精准施工。主缆架设完成,经监控单位实测,制索精度达到了三万分之一、股内应力总偏差1.14%,均高于专项检验评定要求,有力保证了大桥施工质量。

翟晓亮,中交第一公路勘察设计研究院有限公司桥梁工程设计院副总工程师,阳宝山特大桥设计负责人,中国施工企业管理协会“工程建设科技创新人才万人计划青年拔尖人才”。主要从事特殊复杂结构桥梁设计、研究和咨询工作,负责或者作为分项负责人参与设计了机荷高速改扩建项目排架拱桥、贵黄高速阳宝山特大桥、武穴长江公路大桥、汉江特大桥、咸旬高速三水河特大桥等。

翟晓亮:由于阳宝山特大桥桥位周边难以采购到河沙,因此项目因地制宜,混凝土全部采用了机制砂混凝土。其中索塔及横梁、塔座、引桥T梁采用C50混凝土,锚碇前锚室侧墙、前墙、顶板采用P12级防渗混凝土(聚丙烯纤维混凝土)。

钢材使用方面尽可能采用高强、高韧性的高性能钢材,钢加劲梁主体结构除主桁架下弦杆采用Q420qE钢材制作外,其余均采用Q345qD。主缆钢丝采用1860MPa的高强镀锌钢丝,索鞍本体采用了ZG270-480H、索夹铸件采用了ZG20Mn。

问:阳宝山特大桥项目率先在国内采用了“空中纺线法”来架设主缆,在设计时做了哪些研究工作?

翟晓亮:为了保证“空中纺线法”顺利实施,设计过程中根据“空中纺线法”工艺要求开展针对性设计,设计单位联合参建单位开展了一系列涉及理论研究、构造优化和安全验证的试验,主要内容及成果体现在以下几个方面。

一是开展了锚靴的构造、材料及制造工艺系统研究,完成了锚靴合理构造数值试验研究、锚靴选材准则试验研究和锚靴制造工艺试验研究,确定了锚靴合理构造关键参数,明确了锚靴硬度与钢丝硬度匹配关系,提出了锚靴制造工艺流程。

二是研发了AS法背索组合式锚固构造,开展了针对AS法的宽槽路厚隔板索鞍抗滑移系数试验,揭示了不同厚度鞍座隔板、索股层数对摩擦力的影响规律,建立了索股与鞍槽摩擦力计算公式。

三是开展了钢丝弯曲状态下单丝弯曲静载强度试验、疲劳试验,持荷状态下钢丝弯曲腐蚀性试验,建立了AS法建设主缆悬索桥钢丝选型标准;索股弯曲静载试验,揭示了钢丝在锚固位置弯曲、摩擦力传递机理。

四是研制了钢丝连接套筒,编制了钢丝连接套筒压接工艺流程和连接套筒质量检验评定规则。

五是开展了索股锚固系统的整体可靠性试验研究,完成了320丝索股足尺锚固系统破断试验,验证了锚固系统的可靠性,确定锚固系统各关键环节的受力规律及破坏特征,建立了基于目标可靠指标的锚固系统设计方法。

通过系列科技攻关,为阳宝山特大桥缆索系统的安全、耐久提供了根本保证。2021年3月27日阳宝山特大桥顺利合龙,标志着AS法架设主缆悬索桥的设计关键技术成功应用。

问:阳宝山特大桥主缆是大桥的主要承力构件,是整个大桥的生命线根通长索股组成,所有钢丝均为直径5.35mm高强度镀锌钢丝,如果把使用的钢丝连接起来总长度将超过26000km。请详细介绍一下主缆的选材、用材,同时对钢丝长索提出了怎样的高强度考验,突破了哪些材料工艺瓶颈?

翟晓亮:阳宝山特大桥跨度650m,在悬索桥中跨度不算大,对主缆钢丝的强度没有特别的要求。因此,设计过程中选用了直径5.35mm、公称抗拉强度为1860MPa的高强度镀锌钢丝。但由于大桥采用了“空中纺线法”架设主缆,受该工艺影响对钢丝的弯曲性能和钢丝接头强度有一定的要求。

对钢丝而言,一般假定为没有任何弯曲刚度,可当作柔性的钢弦对待,不存在二次应力的问题。实际上,组成主缆的单根钢丝尽管很柔软,但是当它绕过曲率半径很小的鞍槽或靴跟时也会产生弯曲应力。

阳宝山特大桥索股钢丝是通过锚靴跟锚碇连接的,锚靴半径很小,半径为400mm。组成主缆的钢丝直径选取相同的5.35mm,根据弯曲应力的理论计算公式,由于AS法的靴跟引起的弯曲拉应力约为1300MPa,按照这样的方式进行组合时,靴跟处总应力超过钢丝的极限强度,其中总应力中有很大一部分是由于靴跟半径引起的钢丝局部弯曲应力。

据调查,在国外的试验和实桥工程应用中,并没有出现由于此弯曲应力导致钢丝在股靴弯曲部位断裂的现象。结合材料力学分析,对于股靴处的钢丝弯曲应力,包括拉应力和压应力,钢丝的外边缘产生拉应力很小的一部分达到最大拉应力,内层为压应力。

根据材料力学,拉应力最大值发生在钢丝的外层表面处,当钢丝表面的拉应力达到屈服极限后,仍能继续提高承载能力,但表面应力不再增加,屈服层由表面向中间扩展。为此,阳宝山特大桥特意开展了钢丝弯曲状态下的静载试验和疲劳试验,试验结果显示钢丝的静载承载力和疲劳抗力并未因绕过锚靴而降低。

由于“空中纺线法”是现场纺丝,因此不可避免存在大量现场接头。现场钢丝连接是将两根待接的钢丝插入特制的连接套筒内,用液压模具侧向或者轴向挤压套简,使套筒产生塑性变形,以此实现两根钢丝的连接。

接头的材料选择是保证钢丝连接效果的关键,经过参建单位江苏法尔胜缆索有限公司对多种材料反复比选试制,最终选用45钢材质配合合适的热处理工艺完成了钢丝连接套筒的制造。阳宝山特大桥也开展了钢丝连接套筒连接钢丝在连接部位的静载试验和疲劳试验,试验结果显示钢丝连接套筒连接位置静载强度和疲劳强度均满足设计要求。贵黄高速 贵州贵黄高速公路有限公司/供图

翟晓亮:中交第一公路勘察设计研究院有限公司(以下简称中交一公院)依托“人才—团队—平台”的创新体系,承担各类科研项目400余项。其中国家和省部级重大项目50多项;累计获得国家专利授权300余项,计算机软件版权40多项,出版专著20余部,发表学术论文1500余篇;主编参编行业标准规范制修订200余项;编译欧、美、日等国外主流标准规范50多部,组织编译外文版中国工程建设规范18部。

中交一公院在多年冻土、防灾减灾、数字公路、交通安全等多个领域,取得了一系列重要科研成就。其中,多年冻土区公路建养技术,从基础理论到工程应用都有多项重大创新,处于国际领先水平,为青藏公路全天候运行,为青藏铁路、青海共玉高速、拟建的青藏高速等重大项目作出了突出贡献,在国内外学术界有重大影响。

勘察设计系统集成与数字公路、交通安全评价与主动防护、工程耐久性与防灾减灾、桥梁加固与公路改扩建、桥梁减震抗震等多个技术领域,处于国际先进水平或国内领先水平,为我国公路行业的科技进步、工程建设和公路设计技术等作出了重要贡献,在行业中有重要影响。

阳宝山特大桥是桥梁工程设计院“山区大跨复杂桥梁技术创新团队”的作品。桥梁工程设计院“山区大跨复杂桥梁技术创新团队”以攻克重大项目挑战性技术需求为导向,聚焦山区特殊复杂桥梁建设关键技术研究,致力于支撑中交一公院特大桥业务发展。团队共25人,其中高工以上17人,45岁以下20人,人员结构合理、年富力强、一线高水平人才云集。

近年来团队紧紧围绕“科研服务生产、研发赋能项目”加强研发,为培育和强化中交一公院桥梁专业细分技术优势提供强大动力,建成了一批有影响力的桥梁,促进了山区高速公路业务发展。主要体现在以下几个方面:

一是科研与生产深度融合,形成一系列具有核心竞争力和中交一公院特色的山区大跨复杂桥梁原创性关键技术。“十三五”期间团队承担省部级课题5项,务实开展技术攻关,典型研发支撑包括:“超高墩超长联大跨径矮塔斜拉桥设计关键技术”支撑建设世界最大规模矮塔斜拉桥——合同高速王家河特大桥;“空中纺线法架设主缆悬索桥设计关键技术”填补国内空白,指导完成国内首座AS法悬索桥——贵黄高速阳宝山特大桥主缆架设;“超高塔大跨山区钢桁架梁斜拉桥设计成套技术”助力完成世界第一高塔、第一跨径山区公路钢桁斜拉桥——泸富高速南盘江普者黑特大桥设计。

二是聚焦山区大跨复杂桥梁难点问题,积极总结提炼,迅速形成成果,逐步彰显行业影响力。“十三五”期间团队依托系列技术创新成果主编行业标准1项、团体标准2项、地方标准1项;参编行业标准4项、团体标准5项;申报专利17项目,获授权7项;发表核心期刊论文50余篇。依托“组合梁斜拉桥主梁关键技术研究”及10余座斜拉桥设计实践总结,参编《公路斜拉桥设计规范》;依托“根式基础”研究成果编制《根式基础技术规程》;依托“超高墩大跨长联连续刚构桥设计综合节点技术”编制《超高墩大跨径连续刚构桥桥墩设计技术规范》;依托“悬索桥空中纺线法(AS)法架设主缆设计与施工关键技术研究及工程示范”编制《AS法架设主缆悬索桥缆索系统设计与施工指南》;团队牵头的“耐候钢桥梁设计、制造及养护关键技术研究”成功列入交通运输部2019年度交通运输行业重点科技项目清单,并主持编制《耐候钢结构桥梁应用技术规程》。

三是科技进步支撑优秀设计,成果丰硕。“十三五”期间团队强化能力建设,专业引领作用持续加强,科技创新成果获省部级科技进度奖4项,特殊复杂结构桥梁设计获奖20项。

科技进步奖方面:“系列根式基础成套技术”获2017年度中国公路学会科学技术奖特等奖;“长寿命高性能钢桥结构体系、设计理论与建造关键技术”获2020年度中国公路学会科学技术奖特等奖;“超高墩超长联大跨径连续刚构桥综合节点技术与应用”获2020年度陕西省科技进步二等奖;“超高墩超长联大跨径连续刚构桥设计关键技术研究”获2020年中交集团科技进步二等奖。

优秀设计奖方面:西藏迫龙沟大桥获2018年度公路交通优秀设计一等奖;咸阳至淳化至旬邑高速公路02合同段获得陕西省第十八次优秀工程设计一等奖;长沙福元路大桥获2017年度国家优质工程奖;烟台夹河大桥获2020年度国家优质工程奖;迫龙沟特大桥获新中国成立70周年公路交通勘察设计经典工程奖。

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