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建成20多年获多项大奖……虎门大桥为何突然摇摇晃晃?附设计施工图!

架桥机铺设图片 架桥机 2022-03-18 09:20

来源:瞭望智库

昨天下午,广东虎门大桥发生异常抖动,不少过往群众表示整个大桥像波浪一样“起起伏伏”地摇晃,引发热议。

随后,大桥管理部门封闭了大桥。下午3点32分,交通管理部门对虎门大桥进行了交通管制,提醒途经车辆绕道行驶。

视频:央视新闻

文 | 李艳

本文转载自微信公众号“科技日报”(ID:kjrbwx),原文首发于2020年5月5日,原标题为《建成20多年,获多项创新大奖,虎门大桥今日为何突然“摇摇晃晃”?》,不代表瞭望智库观点。

据了解,相关领域专家已赶赴现场。在综合了哈尔滨工业大学深圳校区柳成荫、肖仪清和顾磊等老师意见后,专家分析认为,现场风速达到8m/s左右,引发桥梁限幅涡振。

据悉,因为虎门大桥正在维修施工中,桥面加了1.2米高的挡墙,从而破坏了断面流线型引发涡振。目前,挡墙正在拆除。

桥梁涡振是一种兼有自激振动和强迫振动特性的有限振幅振动,它在一个相当大的风速范围内,可保持涡激频率不变,产生一种“锁定”(lock-on)现象。桥梁涡激共振的有限振幅计算是一个十分重要但又异常困难的问题,目前国内外还没有形成一套比较完整的桥梁涡振分析理论。

对此,我国著名桥梁结构专家葛耀君称,虎门大桥的震动并不会对桥体的刚性结构产生影响,也在安全范围之内。同时武汉大学土木建筑学院教授方正也表示,悬索桥在设计时会有一个抖动的安全范围,“肉眼可见的上下起伏,也是正常的,只要在一定范围内就不会影响行车安全”。

广深北行61转虎门大桥匝道全封闭,导致该路段行车缓慢1公里。

虎门大桥是广东省境内一座连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥,是广深珠高速公路网的主要组成部分,因其连接珠江两岸,沟通深圳、珠海等重要城市,是广东沿海地区的重要交通枢纽。虎门大桥于1992年动工建设;1997年建成通车;1999年通过竣工验收。

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虎门大桥系国家重点工程

多项技术曾获创新大奖

投资近30亿元的虎门大桥是国家重点工程,拥有多项国内或国际先进水平工程技术和工艺,是我国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥,被认为标志着二十世纪中国桥梁建设的最高成就。

“尽管虎门大桥地处台风多发地带,但是在设计之初已经充分考虑这一因素,抗风系数肯定是很高的。众所周知,桥梁安全最怕的是发生共振,但是这些因素在设计之初也都已经充分考量并避免”。深圳移步设计公司建筑设计师贾永曾长期从事桥梁设计工作,他告诉科技日报记者,“虎门大桥到现在不过20年的时间,我国的桥梁大部分都会按百年规划来设计,所以不太可能是设计缺陷”。

图片来源:光明日报

虎门大桥建设期间,我国的大跨径现代悬索桥技术可以说是空白阶段,没有现成的施工技术标准和设计规范。诸如悬索桥的设计、抗风稳定、大型铸件的制造、簿板超宽型加劲钢箱梁的制作与焊接、大型施工专用设备、施工架设、施工控制等都需要靠中国团队自主设计、解决。虽然中国早期曾有大跨连续刚构桥的设计施工经验,但面对虎门大桥的更大跨径,还需解决设计中结构轻型化带来的某些关键技术。

从后来的情况来看,中国的工程师们很好地完成了设计和建造工作,业内普遍认为虎门大桥在我国桥梁史上有特殊的地位,不仅因为它重要的地理位置,更是因为其建设规模大,结构新颖,受外界环境影响大,无论是设计还是施工均为国内首次尝试。正因为如此,虎门大桥项目不仅获得詹天佑土木工程大奖,更有数项技术获广东省科技进步奖和国家科技进步奖。

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桥梁实时监测系统不可或缺

但维护有好有坏

桥梁的安全,包括抗震和抗风都是在设计和建造中的关键要素。一般情况下,桥梁有轻微的晃动是正常的,但是如果幅度非常大就要引起注意。为了实时了解桥梁的安全要素,现代桥梁一般都有健康监测与评估系统。这是一套软硬件结合的系统,对桥梁的裂缝、航道、车流量等多方面情况,进行数据采集和分析,同时对大桥的环境温度、混凝土应力应变、震动情况、移位情况等进行实时监测预警。

业内人士告诉科技日报,虎门大桥也有一套这样的监测系统,通过对桥的连续位移实时监测,了解桥梁结构在各种作用下的实际受力状态和工作状况,评价结构的力学特性和在设计荷载作用下的工作性能。同时通过对监测结果分析得到结构的振动参数,验证结构的抗风、抗震设计,实现对大跨桥梁的安全实时监测。

值得一提的是,这位业内人士表示,建筑的监测系统维护起来并不容易,一般十年左右软硬件都需要更新,有些项目并不一定能及时置换更新,但他也强调,桥梁监测是所有建筑中最为重要的,像虎门大桥这样的重要枢纽监测系统应该会保持良好运转。

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美国塔科马海峡大桥曾被微风摧毁

对于此次虎门大桥异常抖动,一开始许多人认为是当时主桥风速过大造成的。但也有当地民众表示当时虽然风挺大,却也“没有特别夸张”。

说起来,历史上还真有风不大,但桥晃塌了的案例发生。最著名的便是美国塔科马海峡大桥在微风中塌陷。

塔科马海峡大桥是位于美国华盛顿州塔科马的悬索桥。在施工时就曾发生过摆动,桥竣工通车后,摇摆得更加厉害。据说,在某些日子里,桥身上下振动的幅度竟达1.5米,使得驾驶员看不见在它前面行驶的汽车。当地民众称它为舞动的格蒂。1940年,在通车四个月后这座桥梁突然塌陷。据记载,当时的风速并不高,照理这样的风速本应对大桥够不成威胁,但大桥还是戏剧性地被微风摧毁。

这次坍塌被认为是空气动力学和结构分析不严密所致,对后续的桥梁设计和建造产生深远影响,后来所有的桥梁,无论是整体还是局部,都必须通过严格的数学分析和风洞测试。空气动力学和共振实验成为了建筑工程学的必修课。

延伸阅读

虎门大桥

本文转载自保利长大工程有限公司官网,原文首发于2009年9月10日,原标题为《虎门大桥》,不代表瞭望智库观点。

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概况

虎门大桥位于广东省广州市东南约42km,坐落于鸦片战争古战场的遗址上,横跨珠江出海口东西两岸,是连接珠江两岸及粤东、粤西的重要交通枢纽,是沟通港、澳及广东沿海的一座特大型桥梁。由跨越主航道的主跨888m的悬索桥、跨越辅航道的主跨270m的预应力混凝土连续钢构桥和东、中、西引桥组成,还包括隧道3座,全长4606m。

虎门大桥全景图

桥位东、西两岸为丘陵区,江面宽3400m,江心有三岛,北为上横挡岛,南为下横挡岛,西北为大虎岛;桥位属热带海洋性气候,年平均气温为22℃,年平均降雨量为1669mm,夏季受台风影响;主航道水深约30m左右,辅航道水深一般为6m~10m,深槽为15m;主航道江底除岩石暗礁外,沉积有砂岩、卵石,在虎门大桥东塔以东侧地基为粉砂岩和石英砂岩,西侧为中细粒黑云母花岗岩;辅航道江底较平坦,表层为细砂、砂砾所覆盖。

虎门大桥为六车道平原微丘高速公路特大桥,设计速度120km/h;桥位处20m高百年一遇10min平均最大风速值为50.2m/s,桥位处设计风速为61m/s;地震烈度六度按七度设防。通航净空:主航道:60m × 300m(高×宽)设计通航5万吨级。

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主桥结构

虎门大桥主航道桥为跨径888m的单跨双铰加劲钢箱梁悬索桥。桥跨布置为302+888+348.5m。

主桥桥型布置图

(1)索塔

索塔基础根据不同的地质条件,东塔选用上、下分离式的群桩基础,每个塔柱下由16根Ф2.0m的钻孔灌注桩组成,西塔上游采用平面尺寸为12m×16m的扩大基础,下游采用12根Ф2.0m的钻孔灌注桩。

索塔塔身采用门式框架结构,由两侧塔柱及中间的三道系梁组成,塔柱为钢筋混凝土空心薄壁结构,系梁为预应力混凝土空心薄壁结构。桥面以上89.86m,基顶以上147.55m,高跨比1/6。

东塔采用翻转模板施工,西塔采用电动爬架拆翻模施工,系梁采用膺架法施工。东、西两塔施工后跨径差

东、西塔塔柱翻转模板施工图

(2)锚碇

东、西锚碇形式均为重力式锚碇,东锚碇基础为明挖扩大基础,基础下为泥质砂岩,设计摩阻系数为0.4,设计控制主缆拉力为2×172 600kN,使用混凝土4.4万方。西锚碇为采用地下连续墙方法施工的圆形扩大基础,基础为花岗岩。设计摩阻系数为0.6,抗滑安全系数2.3,设计控制主缆拉力为2 x×174 400kN,使用混凝土7.5万方。采用型钢锚固系统。

锚碇钢框安装成型外景图

(3)主缆和吊索

单根主缆由110束预制索股组成,在索夹处断面直径为678.7mm,索股平均长度为1634m,全桥共用镀锌高强钢丝7638t,其中一半是使用江苏江阴钢丝厂研制的。80%的索股在现场制作,然后直接牵引上桥架设。索股两端为锌、铜合金灌注的热铸锚。每根主缆分四段进行防护。两岸锚跨及主鞍座部分用抽湿技术,外露部分用缠丝、涂料等七层防护。主缆矢跨比为1/10.5。主缆索股以前锚方式直接与型钢拉杆锚固,用钢垫板微调长度。

吊索在全桥的布置型式为平行竖直吊索,每个吊点由四根Ф52mm的优质金属芯镀锌圆股钢丝绳组成,吊索与主缆的连接采用背骑式,吊索通过主缆上的索夹槽口骑越主缆,锚于钢箱梁风嘴内。

吊索和钢箱梁连接构造图

(4)主索鞍、散索鞍、索夹

主索鞍、散索鞍由主(散)索鞍本体、上、下支承板、安装板(底座)、隔板、拉杆等部件组成,主(散)索鞍本体为铸焊组合件,由鞍槽及鞍座两部分组成,鞍槽为铸钢件,鞍座为厚钢板焊接件。主索鞍本体顺桥向分成两个半块,以减轻吊装重量,安装就位后用螺栓连整体。

索夹设计成马鞍形,每个索夹由两个半块铸钢件组成,在主缆上左右对合后以螺杆和螺母将其连成整体,紧固于主缆之上,其中高强螺栓用新研制的压扭液压扳手紧固,并专门制定了轴力管理规程,进行索夹摩阻模型试验。全桥索夹分6种类型,一类为紧靠索鞍的封闭索夹,一类为边跨主缆索夹,中跨索夹分成4类,以适应主缆与吊索之间不同的夹角。

(5)加劲钢箱梁、支座

加劲梁截面形式为U型加劲肋正交异性板桥面的扁平闭口流线型的单箱单室截面,箱梁全宽(包括风嘴)为35.6m,梁高3.012m,桥面设2%的双向横披。梁的高跨比为1/295,宽跨比1/25。桥面板厚12mm,底板与斜腹板的厚度为10mm。钢箱梁每4m设一道横隔板。虎门大桥悬索桥钢箱梁共划分为39节段,标准段重约300t,采用卷扬机提升跨缆吊机及液压跨缆吊机吊装钢箱梁,节段之间采用全断面焊接连接。

梁端设置滚动式竖向支座及横向抗风支座,以分别承受梁端竖向反力和水平反力。

加劲钢箱梁截面构造图

液压、卷扬机提升跨缆吊机起吊钢箱梁

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主要技术特点和创新点

虎门大桥悬索桥是我国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥,该工程的主要新技术与创新点为:

(1)开发了一套完整的现代悬索桥结构分析程序;通过试验研究和工程实践,建立了系统而完整的悬索桥上部构造施工监测与控制技术;

(2)通过我国最大尺度的气弹性风洞试验,对施工期间与成桥后的抗风性能进行了分析,验证了设计参数,提出了钢箱梁拼装过程中安全渡台风的技术措施,保证了大桥的抗风稳定性。

(3)在国内率先采用扁平钢箱梁节段间全焊接的结构形式,解决了在箱梁吊装情况下的焊缝间隙调整工艺和焊接技术。

(4)首次在国内成功设计、制作、架设了每股127丝的大型预制索股及大型铸焊组合型主、散索鞍。

(5)首次在我国桥梁基础中采用地下连续墙防水技术,解决了悬索桥西塔基础岩面严重不平的技术难题;

(6)研制出高水平的悬索桥施工专用设备,研制成功特大钢箱梁吊装的液压千斤顶提升式跨缆吊机和紧缆机等

其获奖项目如下:

(1)《 虎门大桥》荣获第二届詹天佑土木工程大奖。

(2)《虎门大桥CH-150型架桥机》项目获1997年广东省科学技术进步三等奖。

(3)《虎门大桥建设成套技术》项目2001年荣获国家科学技术进步奖二等奖。

(4)《虎门大桥建设成套技术》项目于1999年荣获交通部科学技术进步奖一等奖。

(5)虎门大桥荣获1999年度交通部公路工程优质工程一等奖。

(6)虎门大桥东锚深开挖与防护技术荣获1997年广东省科学技术进步三等奖。

(7)液压提升跨缆吊机荣获1996年广东省科学技术进步二等奖。

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相关资料

建设单位:广深珠高速公路虎门大桥有限公司

设计单位:主桥工程由交通部公路规划设计院设计;东、西引道由交通部第二公路勘察设计院设计

施工单位:广东省长大公路工程有限公司

混凝土用量:848 272.5m

钢材用量:111 087.9t

造 价:29.4亿元

建成日期:1997年4月28日竣工

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相关照片

索夹安装

钢箱梁吊装

西锚碇地下连续墙施工

东锚碇施工

吊索

 

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