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基建狂魔鬼斧神工 大橋空中轉體180度對接

(轉體前的土木特大橋)

一般的大橋, 誤差有個幾釐米就是個大事故了;這座大橋的兩端相差幾十米, 車如何過得去呢?

原來, 這時的大橋還沒算建完。

在兩截大橋橋身都修好了之後, 它們要各自旋轉31°, 在空中精准對接。 如此笨重的大橋, 為什麼還要旋轉一下呢, 莫不是要變身了?

土木特大橋空中轉體31°精准對接

(一)為了避開既有線路, 大橋必須“斷著修”

如今新修的京張高鐵, 在土木鎮這裡恰好要穿過大秦線、京包線兩條鐵路,

以及一條京藏高速公路。 這三條路都是中國有名的交通要道, 其中大秦鐵路更是世界著名的電氣化重載鐵路線、中國西煤東運的主要通道, 每天通行160對列車, 業務極為繁忙。

直接在鐵路線上修建大橋是工程界人盡皆知的重大禁忌。 首先, 橋樑的搭架施工需要一定的場地, 鋪開的施工機械、設備必定要影響到下方電氣化鐵路線的正常運行;更要命的是, 施工時難免發生點小差錯, 萬一掉了點東西下去卡在了鐵路線上, 對火車的通行是一項巨大的威脅, 更不必說若是砸壞了火車, 那麻煩可就大了去了。

(土木特大橋的地理位置)

也正因為如此, 在既有道路上建橋始終是一個世界性難題。 如果是普通鐵路或者公路橋樑, 工程師們可以將橋樑略微“扭轉”, 使其垂直於既有線, 減小橋樑的長度, 再像立交橋那樣, 預先在工廠生產出橋體, 然後趁著晚上道路不忙的時候, 用重型機械花幾個小時吊裝上去。

(立交橋的整體安裝過程)

然而, 對於載重大, 並且極速運行的高鐵來說, 這種方法就不太行得通了。 高鐵橋樑極為笨重, 就拿土木特大橋的這兩段來說吧, 每個轉體段長達105米, 重達11200噸。 人類還沒有什麼陸上工程機械能夠吊裝起這麼重的橋體。 工程師們被逼得沒法兒, 只得想出了這麼個主意:先分開建好,

再進行“空中轉體”。

(二)要空中精准對接, 旋轉大橋是怎麼建的?

旋轉大橋的兩截橋體分別在既有鐵路線的兩側獨立建設。 其中, 每截橋體都與兩段等長的懸臂段和一個橋墩組成一個巨大的“T”字型, 橋面段與橋體通過一個可以活動的球鉸相聯結, 以使得橋體可以轉動。 每截橋體都被預先劃分為若干個重量幾十到數百噸不等的橋段, 在工廠中成型、養護, 再輸送到施工現場進行吊裝。

(典型的橋樑分段)

乍看起來,除了中間多了個球鉸以外,橋段的施工與普通橋樑沒有區別,但實際上,轉體橋樑對精度的要求更高。

首先,為了保證球鉸的正常工作不至損壞,橋體的兩個懸臂段必須嚴格保持相同,任何一點誤差都會導致球鉸處產生過大的力矩,進而破壞球鉸使之無法轉動。其次,為了確保大橋的合攏,在橋樑端處的誤差也是必須控制的,否則萬一大橋轉過來,還沒到位就磕在了一起,這個錯誤是無法補救的。此外,為了減少對鐵路運行的影響,同時也為了保障施工的安全,大橋的轉動必須利用既不行車、也已經接觸網停電的安全防護狀態下進行轉體施工,這個時間視窗通常只有兩三個小時,這就要求轉體施工必須一次成功,不能出現閃失。

(三)大橋要想實現空中轉體,球鉸是核心科技

轉體大橋的施工難度固然很高,但最大的技術難點,還是中間的那個球鉸。

轉體大橋能不能順利地旋轉,根本上靠的還是橋墩頂與橋樑之間的這個球鉸。這個球鉸直徑達3.5米,重達幾十噸,如同巨人的關節一般,是整個大橋轉動的關鍵,價格不菲。

(大橋的球鉸)

球鉸分為內鉸與外鉸,它的構造就像是一個乒乓球被分成兩半,倒扣在一起,中間可以滑動。其中外鉸與橋墩相連,固定不動;內鉸與橋樑相連,可相對外鉸做轉動。外置的鋼絞線與內部的動球鉸聯結,拉動鋼絞線帶動內鉸轉動,就可以完成橋樑轉體。

(拉動球鉸的鋼絞線)

在橋樑轉體過程中,工程師們預先在墩身下方的承台中間設置轉盤,將兩束鋼絞線穿入千斤頂中,並纏繞在轉盤上,由電腦控制旋轉速度保持勻速,進行智慧數控張拉。鋼絞線帶動著球鉸的轉體進行發力,進而轉動橋樑。

(複雜的球鉸平面佈置)

除了土木特大橋外,中國採用空中轉體技術的大橋其實並不少,例如1.1萬噸的武漢左廟路高架橋、1.2萬噸的北盤江大橋、2.4萬噸的菏澤丹陽路跨京九鐵路大橋等。然而,由於技術難度高,在過去的相當長一段時間內,中國的球型橋樑支座承載能力始終停留在2000噸以下,“基建狂魔”的核心技術——球鉸,卻長期依賴進口。這其中的主要問題就是,中國承載上萬噸的球型橋樑支座一直未通過大噸位(承載5000噸以上)模型試驗。

近兩年來,隨著北盤江大橋等超級大橋的陸續建成及投入使用,中國橋樑工程師積累了大量的萬噸級以上球鉸的成功實踐,以及萬噸球型橋座模型試驗和實測資料。到了土木特大橋這裡,已經積累了比較成熟的技術。可以說,我們“基建狂魔”又將一項重要技術給“白菜化”了。

(武漢左廟路高架橋施工場景。轉過90°比土木大橋還要“飄逸”)

(四)橋樑轉體的“墩頂流”與“墩底流”

橋樑的轉體施工分為兩個“流派”。一是比較傳統的“墩底流”,上圖的武漢左廟路高架橋就是這一類。它的轉體位於橋墩底與承台之間,在旋轉時,橋墩與上部橋樑一體旋轉。它的旋轉重量比較大,但施工空間位於地表,操作空間大,施工較為簡便,因此是一種比較成熟的技術。

而我們的土木特大橋則屬於典型的“墩頂流”。它的轉動系統設置在墩頂與梁底之間,在轉體時只需要轉動橋樑梁體即可,因此轉體品質小,所需要的轉體空間小,成本低。

土木特大橋的轉體從墩底移到墩頂,減小了3800噸的重量。然而,“墩頂流”是一種非常考驗工程人員技術的施工方式。墩頂的作業空間較小,安全性差。好在隨著中國轉體橋樑施工技術的積累,墩頂轉體施工的困難已經被土木大橋克服。在將來,墩頂轉體施工將逐漸成為轉體法橋樑施工的主流。

(典型的橋樑分段)

乍看起來,除了中間多了個球鉸以外,橋段的施工與普通橋樑沒有區別,但實際上,轉體橋樑對精度的要求更高。

首先,為了保證球鉸的正常工作不至損壞,橋體的兩個懸臂段必須嚴格保持相同,任何一點誤差都會導致球鉸處產生過大的力矩,進而破壞球鉸使之無法轉動。其次,為了確保大橋的合攏,在橋樑端處的誤差也是必須控制的,否則萬一大橋轉過來,還沒到位就磕在了一起,這個錯誤是無法補救的。此外,為了減少對鐵路運行的影響,同時也為了保障施工的安全,大橋的轉動必須利用既不行車、也已經接觸網停電的安全防護狀態下進行轉體施工,這個時間視窗通常只有兩三個小時,這就要求轉體施工必須一次成功,不能出現閃失。

(三)大橋要想實現空中轉體,球鉸是核心科技

轉體大橋的施工難度固然很高,但最大的技術難點,還是中間的那個球鉸。

轉體大橋能不能順利地旋轉,根本上靠的還是橋墩頂與橋樑之間的這個球鉸。這個球鉸直徑達3.5米,重達幾十噸,如同巨人的關節一般,是整個大橋轉動的關鍵,價格不菲。

(大橋的球鉸)

球鉸分為內鉸與外鉸,它的構造就像是一個乒乓球被分成兩半,倒扣在一起,中間可以滑動。其中外鉸與橋墩相連,固定不動;內鉸與橋樑相連,可相對外鉸做轉動。外置的鋼絞線與內部的動球鉸聯結,拉動鋼絞線帶動內鉸轉動,就可以完成橋樑轉體。

(拉動球鉸的鋼絞線)

在橋樑轉體過程中,工程師們預先在墩身下方的承台中間設置轉盤,將兩束鋼絞線穿入千斤頂中,並纏繞在轉盤上,由電腦控制旋轉速度保持勻速,進行智慧數控張拉。鋼絞線帶動著球鉸的轉體進行發力,進而轉動橋樑。

(複雜的球鉸平面佈置)

除了土木特大橋外,中國採用空中轉體技術的大橋其實並不少,例如1.1萬噸的武漢左廟路高架橋、1.2萬噸的北盤江大橋、2.4萬噸的菏澤丹陽路跨京九鐵路大橋等。然而,由於技術難度高,在過去的相當長一段時間內,中國的球型橋樑支座承載能力始終停留在2000噸以下,“基建狂魔”的核心技術——球鉸,卻長期依賴進口。這其中的主要問題就是,中國承載上萬噸的球型橋樑支座一直未通過大噸位(承載5000噸以上)模型試驗。

近兩年來,隨著北盤江大橋等超級大橋的陸續建成及投入使用,中國橋樑工程師積累了大量的萬噸級以上球鉸的成功實踐,以及萬噸球型橋座模型試驗和實測資料。到了土木特大橋這裡,已經積累了比較成熟的技術。可以說,我們“基建狂魔”又將一項重要技術給“白菜化”了。

(武漢左廟路高架橋施工場景。轉過90°比土木大橋還要“飄逸”)

(四)橋樑轉體的“墩頂流”與“墩底流”

橋樑的轉體施工分為兩個“流派”。一是比較傳統的“墩底流”,上圖的武漢左廟路高架橋就是這一類。它的轉體位於橋墩底與承台之間,在旋轉時,橋墩與上部橋樑一體旋轉。它的旋轉重量比較大,但施工空間位於地表,操作空間大,施工較為簡便,因此是一種比較成熟的技術。

而我們的土木特大橋則屬於典型的“墩頂流”。它的轉動系統設置在墩頂與梁底之間,在轉體時只需要轉動橋樑梁體即可,因此轉體品質小,所需要的轉體空間小,成本低。

土木特大橋的轉體從墩底移到墩頂,減小了3800噸的重量。然而,“墩頂流”是一種非常考驗工程人員技術的施工方式。墩頂的作業空間較小,安全性差。好在隨著中國轉體橋樑施工技術的積累,墩頂轉體施工的困難已經被土木大橋克服。在將來,墩頂轉體施工將逐漸成為轉體法橋樑施工的主流。

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