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“世界第一拱”背后的科技支撑

作者:记者 刘 琴 通讯员 贾琦艳 刘娜利     编辑:贾琦艳     来源:广西日报   发表于: 2022-11-11 11:01  点击:

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不久前,中国建筑金属结构协会公布第十五届“中国钢结构金奖”(第一批)和“中国钢结构金奖年度杰出工程大奖”获奖项目,广西平南三桥荣获“中国钢结构金奖年度杰出工程大奖”殊荣,这是我区首次获得此项大奖,也是全国首个获得此项大奖的桥梁类项目。

这是新时代10年的伟大变革中,“中国制造”向“中国创造”跨越的生动案例,是建设交通强国伟大战略实践的有力彰显,树立了世界拱桥发展的又一里程碑。

平南三桥坐落于贵港市平南县,横跨浔江,于2018年8月7日开工建设,2020年12月28日建成通车。大桥全长1035米,主桥为跨径575米的中承式钢管混凝土拱桥,跨径目前居世界所有类型拱桥第一。该桥由广西交通投资集团投资建设,中国工程院院士、华体体育全站app土木建筑工程学院郑皆连教授提出拱桥方案并主持科技攻关,四川公路院和广西北投直属企业承担设计和施工。

科学论证,优选拱桥方案

平南三桥的诞生有一段曲折经历。“如果不是郑皆连院士坚定的科学执言,‘世界第一拱’极有可能与我们擦肩而过。”郑皆连院士团队成员、华体体育全站app土木建筑工程学院党委书记陈正教授说。

2017年,根据广西交通发展规划,荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线要跨越浔江修建平南三桥。初步设计时,根据桥位地形、通航、行洪、地质、环保等要求,经反复论证平南三桥主桥跨度须大于500米。可供选择的桥型只有斜拉桥、悬索桥和拱桥三种。

其中,500米级斜拉桥和悬索桥技术较为成熟,施工风险小,但造价高,且后期维护费用大。相比较而言,拱桥造价低、刚度大、耐久性好且美观。

“桥型的选择要因地制宜、根据工程需要。”这是郑皆连院士一贯的工作态度和准则。

然而,平南三桥南岸地基为基岩,北岸覆盖较厚的卵石层,这种地质条件不符合传统拱桥的建造要求。但如果采用拱桥方案,不仅可节省投资近9000万元,每年还可节约维护费100多万元。

有厚覆盖层、无结实基岩的平缓河道能否建拱桥?这是一个世界难题。

对此,郑皆连院士带领团队开展计算分析和原位试验。经反复论证后,推荐平南三桥北岸桥台采用“地下连续墙+注水泥浆加固的卵石层”复合基础,并认为风险可控。

在郑皆连院士及其团队的努力下,最终促成了平南三桥采用钢管混凝土拱桥方案。

奇思妙想,卵石注浆变废为宝

拱桥方案定了,北岸18—22米的粉质黏土、15—18米厚的卵石层如何处理?

解决方案是做个像水桶一样的圆形地连墙,深入到基岩以下一定深度,将地连墙中的卵石、覆盖层全部掏出来,然后浇筑混凝土进行填充。

郑皆连院士提出,现在卵石已经有了,注入水泥浆不就自然形成混凝土了吗?这一设想,不但可以节约2000多万元费用,还可节省2个月的工期。

注浆前,设计院根据理论计算得出桥台基础底下的3.5万立方米卵石层需注浆2万吨,但实际注浆时只注入了2300吨就灌注不进去了,仅达到理论注浆量的10%左右。这一异常结果甚至让检测单位不认可。

所幸的是,秉承“科研走在工程前面”的理念,注浆前,郑皆连院士团队就在原位取出了6个不同标高卵石,开展注浆模型试验,根据试验结果计算出实桥基础底下卵石注浆仅需耗水泥2400吨,这与实际用量2300吨非常接近。这样,桥梁参建各方才松了一口气。

截至目前,平南三桥已通车近2年,其间团队对北岸桥台基础20多个测点的沉降进行了长期测试,所有测点的最大沉降也仅为5毫米,为设计限值的1/6。

“‘地连墙+卵石层注浆’这项技术具有划时代的意义,使得拱桥建设从山区延展到平缓的河道,应用范围将扩展到西江,乃至东盟的湄公河流域。”陈正教授说。

建设拱桥最难的是成拱之前,大跨径拱桥多采用缆索吊运、斜拉扣挂悬拼、合龙后松索成拱,平南三桥亦不例外。但传统工艺存在大型施工临时结构如吊塔的费用偏高等问题,对此,郑皆连院士和团队独创以力主动控制代替传统刚度被动控制吊扣塔位移,不但实现了吊扣塔瘦身,塔顶位移也从分米级下降到厘米级。此外,还发明了斜拉扣索一次张拉、一次拆除优化技术,显著提升了拱桁悬拼速度和质量。

多管齐下,攻克脱粘、脱空拱桥顽疾

钢管混凝土拱肋钢管与管内混凝土间的脱粘、脱空是钢管混凝土拱桥最常见的病害之一,不仅降低拱肋的耐久性,严重时还会威胁结构的安全。

平南三桥主拱管内混凝土总方量达7657立方米,且采用C70高强混凝土,在长距离、大高差条件下,要实现单根管958立方米的高标号管内混凝土的一次性连续灌注,并保证早期灌注密实度和后期不脱粘、脱空,给管内混凝土的制备和短长期性能控制带来了巨大挑战。

对此,团队在自主发明的真空辅助压力灌注技术基础上,又进一步研发了管内混凝土流变性能调控和全过程补偿收缩技术,成功制备出C70自密实无收缩管内混凝土,在平南三桥上首次实现了钢管混凝土拱桥管内混凝土的全龄期无收缩和无脱粘、脱空。

“灌注700多天后,团队在平南三桥观测到,主管各位置的超声波速都在4600米/秒以上,说明管内混凝土密实性非常好。”陈正说道。

在平南三桥建设过程中,郑皆连院士团队先后开展了20余个专项课题研究,荣获50多项国家发明专利以及多项国家级、自治区级荣誉,实现了多项关键技术首创和突破,为进一步探索特大跨径拱桥建设奠定了坚实基础。

平南三桥建设历时28个月,提前15个月完工,建设过程中实现了零事故、质量全优良,施工合同价5.73亿元,始终未变,每平方米造价仅18152元,低于交通运输部批准概算。

 

编辑:贾琦艳

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