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创新争先奖背后的故事丨打造中国桥梁建设新名片
2020-06-16 15:46 新华社客户端

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平南三桥5月12日顺利完成全桥主弦管管内混凝土灌注。图为此前该桥主拱肋合龙场景。 新华社记者 黄孝邦 摄



合江长江公路大桥主跨507米,主桥长668米,是“渡改桥”重点工程,项目建成后将成为连接合江县南岸老城区和北岸新城区的重要通道,彻底结束两岸群众摆渡过江的历史。图为5月18日,合江长江公路大桥主梁正在进行最后的吊装作业。 新华社发






图为川藏铁路拉林段重点标志性工程藏木特大桥合龙场景。 新华社记者 普布扎西 摄 

5月30日,第二届全国创新争先奖在京揭幕,由中国工程院院士郑皆连牵头的大跨拱桥关键技术研究团队摘得全国创新争先奖牌。据悉,此次全国共有10个科研团队获此殊荣。

大跨拱桥关键技术团队在公众眼中略显陌生,但成绩斐然。他们攻克了超500米跨径钢管混凝土拱桥关键技术,获得2018年国家科技进步二等奖,建成的实体工程获得鲁班奖、詹天佑奖和世界桥梁界“诺贝尔奖”——乔治·理查德森奖。

此前不久,在建的世界最大跨径的钢管混凝土拱桥、主跨575米的平南三桥于5月12日顺利完成了全桥主弦管管内混凝土灌注,引起业界广泛关注。

这座桥的施工,运用的正是大跨拱桥关键技术研究团队历经20余年研发的、超500米级钢管混凝土拱桥的成套建设技术。2018年9月成功合龙的世界最大跨度铁路钢管混凝土拱桥——川藏铁路(拉萨一林芝)雅鲁藏布江藏木特大桥,也运用了团队的原创技术。

那么,大跨拱桥建设在我国发展现状如何,关键技术的突破有哪些重大创新及意义,我国从桥梁大国走向桥梁强国还需要在哪些方面努力?记者近日采访了郑皆连院士。

1、世界拱桥看中国

中国的桥,千姿百态;中国的桥,瑰丽多彩。

我国是桥梁大国,自古就有“桥梁的国度”之称。目前,中国公路桥梁总数超过80万座,铁路桥梁总数超过20万座。

桥梁结构基本分为四大类型,梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥。在世界排名前十的大跨度梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥中,我国都占据半壁江山。

在我国的各类桥梁中,拱桥建造历史悠久且别具一格。隋代建造的“中国第一桥”赵州桥,是世界上第一个敞肩拱式大型石拱桥,在它之后大概500年,欧洲才出现这样的石拱桥。

什么是敞肩拱式?就是在大拱的两肩挖孔添加小拱,形成拱上拱。“原来的拱桥,是没有挖孔加筑小拱的实腹式拱桥,所以跨径就做不大。而敞肩拱(或称空腹拱)是把恒载减轻了,所以跨径才可以做大。”郑皆连说,“敞肩拱(空腹拱)是我们祖宗的一个很大的贡献。”

拱桥的一大优点是耐久性好、寿命长,扛得住人为或自然灾害影响。如今,1400多年前建造的赵州桥、800年前建立的卢沟桥,依然屹立在河上。

拱桥为什么如此坚固?

“这是它受力合理的结果。它把结构物理自重或者说垂直荷载通过弯曲的拱圈,转化成了轴向受力。如果拱轴线选得好,就在小偏心受压。正因为它是以受压为主,没有疲劳问题,所以耐久性非常好。”郑皆连说,另外,所有受压材料都可以用来建桥,拱桥有砖的、石头的、铁的,也有钢的,这是其他桥不具备的。

世界拱桥看中国,不只是看历史、看数量,更看技术。我国的现代拱桥,跨径不断刷新,技术不断突破,围绕着钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥两大现代拱桥桥型,原创性技术都有主要知识产权保护。

通车的世界最大跨径钢管混凝土拱桥、主跨530米的合江长江一桥,在建的世界最大跨径铁路钢管混凝土拱桥、主跨430米的雅鲁藏布江藏木特大桥,在建的世界最大跨径的钢管混凝土拱桥、主跨575米的平南三桥……在郑皆连带领的团队的关键技术支撑下,一座座大跨拱桥一次又一次刷新世界最大跨径,宛若道道飞虹,将天堑变为通途。

目前,该团队正在指导的广西龙滩天湖特大桥已开工建设,其跨径达600米,把混凝土拱桥跨径的世界纪录提高了155米,将成为“世界第一拱”。而将来,该团队还将冲击跨径700米的新的世界纪录。

“过去大家把拱桥看作是落后的东西,认为后来国外引进的悬索桥和斜拉桥更加现代化。实际上,我们建设的平南三桥,与悬索桥、斜拉桥相比,刚度更强、造价更低,优势明显。”郑皆连说。

2、关键技术屡突破

中国的桥,春风常在;中国的桥,又添风采。

由于拱圈施工非常困难,中国的拱桥建设原来都是有支架的。但支架的存在,影响了跨径的拉大。

郑皆连在1968年首次提出无支架建设拱桥的方法:吊装悬拼,斜拉扣挂施工,在空中无支架合拢。无支架建设拱桥使得拱桥的跨径得以不断拉大,成为现代拱桥和传统拱桥之间的分界线。从此,中国拱桥进入新的发展阶段。

近年来,郑皆连带领科研团队不断攀登,一步步攻克了钢管混凝土拱桥建设的技术难题。

在参加合江长江一桥的设计施工时,郑皆连带领的团队面临的不只是跨径达到530米的新突破。该桥的悬拼段超过200吨,一根管内的混凝土就达800立方米,其安装难度极大,精度要求极高。而雅鲁藏布江藏木特大桥虽然跨径只有430米,但是八根钢管每根管内的混凝土都有1000立方米,在高原地区气候极为恶劣、日温差极大的情况下,团队指导施工单位克服了连续灌注管内混凝土的难题。

设计平南三桥时遇到的挑战更多。原设计推荐悬索桥,审查单位又提出建议建成斜拉桥,郑皆连力排众议,提出建设刚度更强、造价更低的拱桥。为了进一步节省投资,他们还提出了把其中一个桥台放到卵石层上。而这是拱桥设计中的大忌,因为拱桥是个超静定结构,两个桥台的不均匀沉降或者是位移都会产生非常大的附加应力,威胁到拱桥的安全。通过试验,该团队创建了“圆形地连墙+卵石层注浆加固”的大跨拱桥基础设计和处理方法,首次实现了特大跨径拱桥桥台置于卵石层上。

如今,平南三桥已经开建20余月,测试显示卵石层基础底下的位移最大只有5毫米,远低于设计要求的3厘米,不仅没有任何安全问题,直线工期还因此缩短3个月。2019年底,世界拱桥大会之际,多位国外拱桥专家在施工现场惊叹不已,给予该桥高度评价。

而在管内混凝土灌注方面,平南三桥再次实现了重大突破——在大家的认识中混凝土没有不收缩的,团队成员却研究出了一种通过多次膨胀来抵消混凝土收缩的新材料。

大跨钢管混凝土拱桥管内混凝土真空辅助灌注工艺和新材料、钢管混凝土桥高精度、低成本施工成套技术及装备、超500米跨径钢管混凝土拱桥关键结构设计创新……正是在一座座桥一次次的攻关中,该团队形成了超500米级钢管混凝土拱桥成套施工技术,将钢管混凝土拱桥不断推向更大跨径,打造了中国拱桥名片。

3、从桥梁大国到桥梁强国

在团队攻关的过程中,郑皆连认为最重要的是把科学研究试验完全走到设计施工的前面。“使我们设计施工都奠定在一个非常可靠的基础之上,风险就克服了。当然还包括设计施工单位使用无人机等现代设备、运用大数据等技术的能力。”

尤为令他自豪的是,团队真正做到了产学研结合。团队里面,多位来自高校的师生贡献了很多力量。其中,研发不收缩的混凝土材料的,是来自东南大学的成员。

平南三桥的一个桥台放在3.5万立方米的卵石上面,这么大量的卵石加固效果如何?团队里澳门新葡亰平台游戏的博士研究生张振现场做了原位注浆模型试验,精准的试验结果为之后的注浆水泥用量提供了科学依据。

除了产学研结合带来的技术上的不断突破,还有一点令他引以为傲——与悬索桥、斜拉桥相比,建设拱桥不仅刚度强、安全性好,而且造价低。

对贫困地区而言,造价低意味着什么?负担减轻了,省下来的大笔资金还能投入发展,桥建好以后,便利的交通又能助力脱贫攻坚。

平南县是平南三桥的投资方之一,县内曾分布着近80个贫困村。根据测算,拱桥的造价要比推荐的悬索桥少9000万元,且维护费每年比其他桥少100多万元。这成为郑皆连力荐建设拱桥的重要原因之一。之后,团队不辞辛苦技术攻关,把一个桥台放到卵石层上,又一举节省了2000多万元。

一心为民,修建最适合、最安全、最省钱的桥,助推经济社会发展。郑皆连作为专家组组长指导建设的云桂铁路南盘江特大桥曾获得2019年度詹天佑奖。他提出的“钢管混凝土劲性骨架斜拉扣挂+分环外包”组合施工方案成功应用在南盘江特大桥和北盘江特大桥中,不仅大大降低了施工风险,还使得两桥造价与最初的方案相比分别节省约3000万元。

一座座金桥,连着四海通向未来。

“拱桥蕴含着许多中国哲学,是中国的一个瑰宝。”郑皆连认为,桥梁是中国的一张科技名片,而拱桥恰恰是在桥梁中可能首先从大国变为强国的一个突破口。

“我国建的桥梁最多,专利也最多。全世界15座超过430米的拱桥,有12座在中国。从1990年开始,30年来我国钢管混凝土拱桥跨径从110米发展到575米。跨径增长之快,在桥梁史上罕见,数量也发展到近500座。称为桥梁大国,这是毫无疑问的,大家认可的。”郑皆连表示,我国正从桥梁大国向桥梁强国迈进,中国桥梁已成为响亮的世界品牌。但要成为桥梁强国,他认为我们还要在计算软件上努力。现在用的软件都是国外的,国内的软件功能还不如国外。

“不能因为桥梁数量多、跨径大就满足了,我们还要不断追求技术的升级或者优化。从桥梁大国迈向桥梁强国,是一个前进的过程,激励我们解决更多问题和难题,对我们发展技术更上一层楼是有好处的。”










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