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              中国桥梁领域的爱迪生
              2010-09-02 来源:中国桥梁网
                ——中国桥梁网近访桥梁设计大师杨进

                题记:“艺术和技术是不能相互排斥的,很难想象一个有结构缺陷的建筑却在艺术上是美的。每个与其最终目标相符的建筑都是发明,因此每个从事结构设计的工程师都是发明家……”
                ——著名工程师乔格•西拉斯

                从最初粗糙简易的独木桥,到如今种类多样的大跨度桥型,桥梁的发展经历一个由简到精、从单纯注重功能性到使之与美观相结合的过程。随着人们对设计要求不断提高,桥梁这一在交通领域中具有重要地位的建筑也被赋予了更多的意义:越来越多的桥梁不仅仅是在起着联接两地交通的纽带作用,更多的还被视为是一个城市、甚至一个国家的标志性建筑。澳大利亚的悉尼大桥、美国的金门大桥、中国的南京长江大桥等都已成为当地的地标性建筑。

                这样一来,如何使桥梁的功能性与美观性得到最大限度的相互补充、如何做到在资金投入上最经济合理而又不以其耐久性为代价就成了摆在桥梁设计人员面前的巨大问题。对此,中国的桥梁设计领域中的老前辈杨进先生以他的亲身经历一一做了解答。

              桥梁设计大师杨进
              桥梁设计大师杨进
               
              两次修复,成就武汉长江大桥百年辉煌

                被誉为“万里长江第一桥”的武汉长江大桥是中国第一座横跨长江的桥梁,同时也是我国第一座复线铁路、公路两用桥。这座于1955年9月动工,1957年10月15日正式通车的大型桥梁,横卧于汉阳龟山和武昌蛇山之间的长江江面之上,犹如一道飞架的彩虹,在长江天堑上铺成了一条坦途。一句“一桥飞架南北,天堑变通途” 便道出了武汉长江大桥的建成通车对沟通中国南北交通的重要意义:平汉铁路和粤汉铁路由此实现了连接,南北交通发生了根本性的变化,大大促进了武汉市铁路枢纽建设进程,使素有“九省通衢”之称的武汉市成为全国重要的铁路枢纽。

                武汉长江大桥全长1670.4米,正桥是铁路公路两用的双层钢桁结构梁桥,上层为公路桥,下层为双线铁路桥,桥身共有八墩九孔,每孔跨度为128米,桥下可通万吨船队,左岸引桥共有17孔,其中自05号桥墩以后,铁路部分采用22米高填土路基与龟山相连接。

                1963年,通车7年的武汉长江大桥,由于基础不对称下沉造成07号墩墩身开裂。要对这座从轨面到基础深达40米的桥墩进行修复原本就是一项困难的任务,而更令人头疼的是,此时的武汉长江大桥已经成为南北交通的重要枢纽,这就要求修复工作必须在照常通车和隐蔽施工的情况下进行。

                这时,刚过而立之年的杨进根据武汉长江大桥07号墩的实际情况,提出了一个独具匠心的方案——“倒砌法”。他将修建煤矿竖井所使用的“倒砌井壁法”(在理念上与近年推行的地连墙法相似),创造性地运用到了桥梁基础施工中来, 成功修复了07号墩。

                然而,至此,杨进与这座大桥的缘分还没有结束。1982年初,武汉长江大桥第四孔钢桁梁下弦杆被通过的打桩船重撞变形,杆件横向翘曲的矢度达120毫米,铁路行车被迫中断,给交通运输带来了很大的不利。对此,杨进设计出了一套自平衡顶架,在较短期内保持单线行车的条件下即将弦杆整复,使大桥恢复了正常行车。历时约一个月,费用50万元不到。

              敢想敢做,禹门口黄河桥再试牛刀

                在20世纪70年代的文革后期,杨进事实上主持候西线禹门口黄河铁路桥单跨144米钢桁梁的架设施工中,放弃了已定的采用在深水40米流速4~5秒/米的峡口建设临时支墩的方案 ,改为采用前接导梁牵引后端逐节拼装的拖拉方案,省时省料一举成功。在设计过程中,曾有同事私下告诫他:“万一出问题,你不怕掉脑袋吗!”

                随后杨进又独立自主完成了对应于铁路桥的跨度144米的具有加劲梁的公路悬索桥的设计和施工,从而在实际工作中深入了解对悬索桥结构在理念上的认识。

                在铁道部交通部合并期间,国家开始恢复经济建设,提出三年改变港口面貌的目标。杨进接受主持连云港二突堤万吨级泊位首次采用钢板桩岸壁码头的工程设计。通过对土力学平衡理论的深入分析,圆满完成了该项工程。接下来他又承担了江阴澄西船厂的顺岸舾装码头首次采用高桩梁板结构的设计和应邀主持设计南化公司的起重500t的大件码头工程,从而拓宽了在土木工程方面的知识面。

                1978年至1980年间,杨进开始主持三茂线肇庆西江公铁两用大桥的设计,首次突破了铁路桥墩不采用高桩承台基础的禁区。该桥为5×144米桁梁双层桥,其中水上的2、3号桥墩采用每墩4根直径3米的钻孔钢管柱。4号墩处因水深40米,河床基岩复盖层浅,创新构思出《双承台管柱钻孔基础》的方案,一年内完成了施工,共只用钢材125吨,实属价廉物美。若干年后建设的芜湖长江公铁两用桥的钢桁梁滩桥的基础也采用了高承台桩基础。

              迎难而上,开启中国现代悬索桥梁之路

                上个世纪九十年代初,在汕头经济特区兴建汕头海湾大桥的计划被提上了广东省交通厅的议程。此时,汕头市南北城区的交通还在依靠轮渡这样低效率的方式进行。迟迟没有在此修建桥梁的原因有很多:首先我国还没有在海湾上建桥的先例,缺少实践上的经验和技术上的保障;而且汕头地处强台风、强地震区域,潮汐频繁,一直以来都被认为是修桥的“禁区”。

                杨进凭借过人的胆识和专业的技术决心攻克这些技术难关。他将原先投标的颇具新意的钢芯梁斜拉桥的主桥方案改变为大跨度现代悬索桥方案,并于中标两个月之后提交了正式的设计文件:主跨452米、边跨154米的三跨双铰,预应力混凝土薄壁箱形加劲梁悬索桥方案。汕头海湾大桥的设计采用了有较大重力的流线型的预应力钢筋混凝土薄壁箱型结构作为悬索桥的加劲梁,妥善地解决了强台风地区空气动力稳定性问题;在抗震设计中做了减震、隔震处置;梁端支承体系采用盆式球型橡胶支座作为悬索桥两端的竖向约束支承,有效地与特长混凝土主梁受诸多因素变形的特性相匹配。另外,在采用海底基础施工技术、预应力超长束施工、鞍座减摩复位技术及架设设备的设计制造等方面都推动了我国建桥技术的发展。

                历时4年,被李国豪教授誉为“桥梁明珠”的汕头海湾大桥顺利建成通车,成为我国沿海高等级公路主干线的重要纽带,使深圳、珠海、厦门与汕头四个经济特区的联系更加方便快捷。它的落成标志着自武汉、南京等长江大桥之后,是中国又一个特大桥梁建设里程碑的开始,开创了我国自行建造现代大跨悬索桥的历史。汕头海湾大桥和杨进先生随后主持设计的西陵长江大桥共同推动了国内悬索桥的设计、计算、施工、制造、机械匹配等技术产业链的形成,经济和社会效益显著。

                1993年,杨进主持设计了为三峡工程施工服务的西陵长江大桥。西陵长江大桥是三峡水利枢纽工程前期准备工程的关键项目之一,是联系三峡工程长江两岸的交通纽带。鉴于工期紧迫和桥下过流与航道在横向三次大的变动,杨进以其在技术上的卓见提出主跨900米、主梁采用全焊接正交异性板箱形结构的悬索桥方案,一跨过长江,以解决施工期间水流多变和航道受干扰的问题。这样一来,仅用了29个月的工期就建成了大桥,保证了三峡大坝施工第一次大江截流如期举行,也填补了国内在更大跨度悬索桥技术上的空白。西陵长江大桥也因其这样的首次成功而被誉为“神州第一跨”。

                更为重要的是,在西陵长江大桥上,杨进将由国外引进的钢箱梁技术首次运用到中国的桥梁建设中,推动了钢箱梁技术在国内的普遍推广。谈起这个自己十几年前的作品,耄耋之年的杨老先生仍然感触颇多。他谈到,钢箱梁技术的运用存在着一定的困难,因为其本身是以空间状态存在,受力也是空间状态下扩散的受力,所以即使是模拟出了某个点的应力也不能说明整个桥体情况。这与以往单纯纵向受力的结构有着很大的不同,对设计师的要求也更高。设计师要在构造性受力方面凭借自身的经验来进行判断,以弥补钢箱梁结构在此所存在的不便于操控的缺陷。同时,杨老先生也指出,钢箱梁的焊接工程量很大,对工艺的要求也很高,如果表面打磨得不精细就会造成受力不均,从而导致开裂。

              大胆务实,推进混合梁斜拉桥发展进程

                两年之后,已经创造了很多成功作品的杨进给中国桥梁界带来了又一技术新思路。

                汕头礐石大桥的桥址区位于汕头市区西部,是继海湾大桥后又一座连接汕头市南北城区的大型桥梁。这一次,大桥的设计师同样是杨进。1995年,杨进和他的专业团队,在很短的时间内便提出了主桥主跨518米、全长906米的采用钢箱梁与预应力混凝土箱梁共用的混合梁斜拉桥方案。这是国内首座混合梁斜拉桥方案,推进了国内钢箱梁斜拉桥技术的发展,为中国大跨度斜拉桥开始采用钢箱梁结构首开先例。

                这一方案主要的技术优势表现在改善了全桥的静力平衡,增强了整体刚度和气动稳定性。并新创采用弹性索的纵向约束,有效地降低了高地震的反应力,因而使两主塔的基础工程量减少近40%,以总工程量和不变单价与原定方案对比,该优化方案节约工程费用近2亿元人民币,在技术和经济方面都有着无可挑剔的优势。随后武汉白沙洲大桥采用了与其相似的结构体系,从而使主塔基础的规模大为减小。

                2001年前后由杨老主持设计建成的天津塘沽海河桥,这座独塔主跨310m的斜拉桥也因采用了混合梁而大量节省投资。

                面对当今桥梁界对于钢梁结构的普遍热情,杨老语重心长:“现在的人都觉得钢梁是最保险的,但却忽视了混合梁是最经济的桥梁结构。如今的桥梁界最不关注的就是经济问题。实际上如果方案本身处理的不恰当、不合理,在资金上的浪费是很大的,比如造一座大规模的桥梁,不同的方案在造价的差值上就可能倍增。”值得高兴的是,不久之前建成的鄂东长江大桥荆岳长江大桥终于消除了顾虑,成功地实现了混合梁方案的采用。

                2001年前后,杨进主持设计建成的宜昌市夷陵长江大桥是一座三塔双主跨2×348米中心单索面斜拉桥,主梁采用预制节段展翅箱形预应力结构,其混凝土总用量0.72m3/m2,是总造价最节省的一座大桥。

              宝刀不老,勾画泰州大桥神来之笔

                预计2011年底正式通车的泰州长江大桥是继江阴大桥润扬大桥等之后建设的又一座特大跨径桥梁。跨江主桥为主跨2×1080米的三塔双主跨钢箱梁悬索桥,系世界首例。而这一具有极大想象力的创新结构同样是出自经验丰富、不墨守成规的桥梁设计大师杨进之手。

                杨老谈到,之所以会采用三塔双主跨钢箱梁悬索桥这样独特的设计,主要还是出于对实际情况的分析和考虑。首先,桥位处的江面宽阔,大桥跨越的长江江面宽达2.3公里,且河床呈浅ω形断面,如果依然采用一个大主跨那样一跨过江的方案,投入的资金就会大幅度的提高。而三塔双主跨钢箱梁悬索桥的方案,不仅节约了成本,还能最大限度的利用桥址区河床的特点,并适应长江河势的变化,水中只有一个主塔基础也能最大限度减少建桥对水流的影响,降低了船舶撞击的风险;另外,采用三塔双主跨悬索桥水面开阔,也就降低了对两岸港口码头间船舶航行的影响,对长江两岸的经济发展起到积极的促进作用。

                杨老表示,泰州长江三塔悬索桥的出现,并非事物的终点,年内即将开工的武汉市鹦鹉洲长江大桥,考虑到其处于市内城区的范围和长江防洪条件的要求,该桥采用了三塔四跨双铰全悬吊的方案,主梁也改用了小边箱梁的钢混叠合梁结构。“如果有幸再碰上一处水面要建桥,我或许还要再出新招。”

                最后杨老有点不无遗憾地谈到,当前高铁大跨度铁路桥梁正方兴未艾,深感力不从心。唯一可以自慰的是在1998年前后,铁道部下达修建京沪高速铁路的计划,决定在南京大桥下游2公里处的上元门一线跨越长江。根据该处水面中部为船行盲区的情况,提出了一个对应于现在大桥航孔3对1的双主跨2×480米当时尚少见的三塔斜拉桥方案。行车主梁为PC箱形整体结构,上面叠合无下弦杆的桁架予以加劲。该方案偶然为陈新院士所见被推荐至铁道部,成为唯一可行的桥梁方案。后因社会上对高铁是采用轮轨还是磁悬浮之争一时难定而停顿。“但该方案在技术理念上已在近年得到认可而采纳,也算是微薄的建成树吧!”

                从“倒砌法”巧妙设想、自平衡顶架的精妙构思,独孔大跨度桥梁的牵引架设,到大跨度现代悬索桥的合理引进、混合梁斜拉桥的大胆使用,再到三塔双跨钢箱梁悬索桥的横空出世,还有很多很多诸如此类的在桥梁设计方面的创新发明,杨进——这个中国桥梁行业的领军人物给国内的桥梁领域呈现了一个又一个具有里程碑意义的设计方案。从事桥梁工程设计50多年,他主持了众多大型桥梁工程的设计和施工指导工作,为中国桥梁行业填补了一项又一项空白。如此高产而又出新的设计师自然称得上是中国桥梁设计领域的爱迪生。

                而更为重要的是,纵览杨进老师在桥梁设计方面的发明成就,便不难看出他所坚持的发明理念就是“经济实用、因地制宜”。不断出奇制胜的杨老,从不曾以标新立异或者世界之最为目标,他的创造发明都是将实际的自然环境、经济投入和美观实用等因素综合起来加以研究、考虑,从而得出的设计作品。当那些标榜世界第一的怪异桥梁被逐一淹没在时间的长河中时,我们却依旧在为杨老的那些巧妙作品而喝彩。

                
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