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探访南京长江五桥:世界首座轻型钢混结构斜拉桥,明年底通车

乘坐工程用梯向上,映入眼帘的是伴着长江落日余晖往来开行的船只,与几乎空无一人的桥面,脚下便是南京长江五桥。

近日,澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者跟随设计单位中交公路规划设计院有限公司一同探访建设中的南京长江五桥,了解该桥背后的技术创新及影响。

南京长江第五大桥(下简称南京五桥)位于南京长江三桥下游约5公里处,南京长江大桥上游约13公里处。项目北起南京市浦口区五里桥,接江北大道,跨越长江主航道后,经梅子洲,下穿夹江,止于夹江南岸,接江山大街,全长约10.3公里。其中,跨长江大桥长约4.4公里,夹江隧道长约1.8公里,其余路段长约4.1公里。

南京五桥全线采用双向六车道一级公路标准建设,路基和桥梁段设计速度100公里/小时,宽度30.5米。

南京五桥总设计师崔冰在接受澎湃新闻记者采访时介绍,南京五桥是一座三塔两主跨中央双索面轻型钢混组合结构斜拉桥,主跨跨径600米,两主跨可为往来船舶提供多孔、多线通航条件,“既沟通了南北(公路),也不阻碍东西(水路)。”

世界首座轻型钢混组合结构斜拉桥

南京五桥是世界首座轻型钢混组合结构斜拉桥。

据崔冰介绍,南京五桥在世界上首次创新采用了钢壳-混凝土组合结构索塔,将混凝土包裹在钢壳内部,首先减小了混凝土在大气中劣化的可能性。同时,钢壳与混凝土塔柱作为整体共同参与受力,承载力高、抗震性能优越、景观效果好,可有效提高索塔的结构性能和长期耐久性;且采用工厂化、装配化的施工工艺,大部分钢筋在工厂内预穿并随钢壳整体吊装装配,现场仅需焊接钢壳环缝、连接节段间钢筋和浇筑混凝土,有效减少现场作业强度及难度,提高工程质量。据了解,采用这种结构的索塔其造价和混凝土结构索塔基本持平,低于全钢结构索塔。

采用传统施工工艺,建造一座175米的混凝土结构索塔需要模板工、钢筋工、混凝土工等多工种作业人员约80~100人高强度作业10~11个月才能完成;而在南京五桥,索塔建造中近80%的工作量是在工厂内利用机械设备制作完成,桥位现场仅需要吊装工厂制作的附筋钢壳节段、连接并浇筑混凝土,因此40个不同工种的作业工人在7~8个月的时间可同时完成两座175米的钢壳-混凝土组合索塔。

此外,伴随着社会的发展,人们对环境保护越来越关注,建筑原材料的限制性开采和生产过程中对环境的影响也制约了大批量合格建筑材料的获取,有效劳动力的不足和劳动力成本增加使劳动密集型施工工艺失去存在空间。因此,崔冰认为,“轻型化高性能结构、工业化产品制作、组装化桥梁建造”将是桥梁建设适应社会发展进步的必由之路。

对桥位区环境、生态的影响,在南京五桥的设计建造过程中受到格外关注,“五桥上下游正好是江豚的生活栖息地,在建桥时就必须考虑它们的生活,不能因为要沟通南北就影响到它们,南京五桥的设计最大限度地减少了对江豚的影响,比如将行车过程中桥墩振动所产生的对水体的影响减到最小。我们的工人在桥梁施工过程中经常能看到江豚在水中嬉戏。”崔冰说道。

桥面板高性能材料为自主研发

崔冰介绍,此次南京五桥主梁采用了一种新型高性能材料——粗骨料活性粉末混凝土,它具有高弹性模量、低总收缩、抗弯拉性能优异等显著特性,通过常规养护即可获得材料应有的结构性能。将其应用于钢混组合梁桥面板,可有效降低桥面板板厚,实现主梁结构轻型化,同时,使钢混组合梁具备了在更大跨度的桥梁结构中替代钢箱梁的能力,为在大跨度桥梁中有效规避钢箱梁正交异性钢桥面板的疲劳开裂及钢桥面板铺装难题奠定了坚实基础。

崔冰表示,理论分析表明,14公分厚的粗骨料活性粉末混凝土桥面板具有优良的承载能力,其各项指标均不低于目前正在服役的大跨度钢混组合梁桥的常规混凝土桥面板。出于首次使用和偏于安全的考虑,南京五桥钢混组合梁桥面板厚度采用17公分,其结构自重较同等规模的现役钢混组合梁减小近30%。

值得一提的是,在南京五桥建造过程中,针对粗骨料活性粉末混凝土特性,项目团队自主研发了自动化数控生产线和相应的标准模具,用于桥面板的大规模批量生产,以保证产品质量的均匀可靠,同时使混凝土桥面板的精度达到钢结构的精度标准。

崔冰介绍,此前的活性粉末混凝土是一种致密的砂浆体材料,亦具有优异的结构性能,但由于养护工艺苛刻、造价高导致并未在桥梁主体受力结构中得到大规模使用。此次使用的粗骨料活性粉末混凝土为自主研发,历时近6年。在不大幅降低传统活性粉末混凝土各项优异性能的前提下,引入有效的骨架材料和低活性填充成分,使粗骨料活性粉末混凝土不仅具有更高的弹性模量,且总收缩值较原材料有效降低,同时仍具有良好的抗弯拉性能。粗骨料活性粉末混凝土造价相对较低,其养护工艺基本与普通混凝土材料相同,从而使其具备了大规模应用的条件。

崔冰透露,此次南京五桥所应用的桥面板仅就研发材料就申请了4项发明专利,若再加上施工工艺大则有8项发明专利正在申请。

中国已跻身世界桥梁强国之列

1989年于同济大学桥梁工程专业毕业,崔冰到今年工作已有三十年。除主持设计南京二桥南汊跨江主桥、南京三桥、南京四桥、南京五桥,安徽望东长江大桥和浙江舟山境内的秀山跨海大桥外,还参与了铜陵长江大桥等多座大桥的设计。

问及参与设计的大桥总数,崔冰坦言,“我在同一时间段只专心于一座大型桥梁工程,不会再去参与其他的项目。一座大型桥梁工程前后做下来总要四五年,所以我设计的大桥主要主要分布于长江下游。”

崔冰回忆,在自己工作的30年时间里,大概有一半的时间在项目现场,这也帮助自己加深了对现场工艺和设备的深刻认识和理解,奠定了自己对大桥结构建造技术的认知和关键部位的把握,从而更好地做好工程设计。通过一座座桥梁的设计、建造及使用过程中的经验总结,也为后续设计更完美的桥梁奠定了基础。

崔冰表示,我国从原先的桥梁大国,到目前跻身桥梁强国,首先得益于国家的富强稳定和高速发展,其次是几代桥梁人对技术创新的不懈追求和对建造技术的总结和积累,逐渐拥有了外国人不曾有的技术,从而站在了强国之列。

重返南京,站在自己曾经设计的大桥上,崔冰感慨良多,“走在这些桥上的时候,我首先关心的是它的耐久性怎么样,现在桥的状态是怎么样的;其次才会想到那个时候的意气风发。无论走在我参与建造的哪一座桥上,我首先考虑的还是当时的设计思路和建造工艺在今天来看耐久性如何?功能性如何?后期维养是不是由于当时的设计和工艺而增加了投入?这些问题都会促使我在下一座桥梁结构设计中去考虑如何规避和优化。”

“我一直是很幸运的,我到目前为止干的始终都是我喜欢做的事情。一个人大部分时间能够干自己喜欢干的事情,我认为也是不容易的。”崔冰笑着说道。

崔冰表示,作为一个设计者来说,设计的过程首先是综合考虑各种建设条件,对结构物如何取舍、相互妥协的过程;其次是如何规避或者优化此前在桥梁建设和使用过程中出现的问题和不足;第三是要研究如何使大桥结构更与时俱进。“在这个过程中,你可能会做一些与以往不同的东西,我们现在称之为创新,但我认为,这只是工程师做了他应做的事。”

大桥的传承

值得注意的是,南京二桥、三桥、四桥和五桥都由中交公路规划设计院设计并参与建造。

董萌是南京四桥的主要设计者,同时也参与了三桥的设计工作。

在他看来,南京四座桥的建设有三方面的传承:

一是人的传承。在四座桥的建设中,培养出了一代又一代的杰出桥梁设计师,后来在各自的工作岗位上都做出了突出成绩。

二是创新精神的传承。“我觉得这种创新精神在每一座桥的设计上都有体现,也是我们勇往直前,把桥梁技术和桥梁发展带向更高高度的一种体现。”

三是设计理念的传承,即人与自然的和谐。他介绍,从二桥到五桥,每一座桥都独具特色,一桥一景,实际上这是最大限度地与自然环境的协调。此外,依据建设条件因地制宜地选择最合适的结构方案,这是设计作品最大程度的和谐。

董萌告诉澎湃新闻记者,在南京建桥的时期,他经历了个人从青年时期到中年时期,“实际上是一种获得感,当你踏踏实实从前到后把两座桥真正做下来,会发现步入中年后变得更加淡定从容,因为你有了积累。”

南京五桥主要设计者魏乐永,除南京五桥外,和崔冰也曾共事建造望东长江大桥。他感叹道,中交公路规划设计院的工程师都传承了精益求精、不断求索的工匠精神,南京五桥和望东长江大桥跨径和结构类似,但南京五桥在望东长江大桥基础上,做出了非常大的突破和创新,把上一个项目碰到的技术问题加以有效解决,正是这种突破自我、勇于创新的精神才推动着整个桥梁建设事业不断发展。

崔冰也表示,使用轻型钢混组合结构斜拉桥作为南京五桥的方案是世界首创,但也是从南京二桥、南京三桥以及其它桥梁建设中逐步积累、传承而来,是在不断总结以往的教训和不足的基础上慢慢发展起来的。

他表示,20年前做南京二桥,当时该桥为我国首座全焊钢箱梁斜拉桥,后来的南京三桥采用钢塔结构和创造性的深水基础建造理论和工艺,只用了短短26个月便建成通车,“随着社会的发展,人们对桥梁建设,包括基础设施建设要求越来越不一样,这种变化也促使我们思考怎样更好适应社会发展要求。”

除此之外,我国知名桥梁专家、中交公路规划设计院老一代桥梁人曾宪武也与南京二桥有着密不可分的关系。他有着双重身份,一则他是南京人,二则他正是南京二桥的总设计师。他表示,南京二桥建成至南京五桥建成,前后经历20年,“这20年,正值我国桥梁建设处于快速发展阶段,这期间中国的桥梁工程师宵衣旰食、夙兴夜寐,怀揣拳拳赤子之心,用一座座宏伟的桥梁工程推动了我国由桥梁大国大踏步迈进桥梁强国,‘中国桥’无疑已经成为当今我们引以为傲的国家名片。”

曾宪武表示,南京四座长江大桥均位于长江下游水面宽阔,水深流急河段,主桥跨度均大于600米,设计施工难度很大。其中,南京二桥的深水基础、平行倒Y形索塔、斜拉桥首次采用大跨度扁平钢箱梁,超长拉索及防风雨振设施以及环氧沥青钢桥面铺装等取得了重大突破和创新,建成时为中国第一、世界第三位大跨度斜拉桥,为我国大跨度斜拉桥建设,提供宝贵的经验和借鉴;南京三桥在国内首次釆用曲线型钢塔和创新的深水基础,南京二桥、南京三桥均荣获国家科技进步二等奖;南京四桥为千米以上悬索桥,具有创新的结构体系、锚碇结构和主缆防腐系统;南京五桥主梁创新釆用轻型钢混组合梁和钢壳混凝土组合索塔。每座桥均根据各自特点,均有重大突破和创新,为我国大跨度桥梁建设谱写了光辉的篇章。

明年底建成通车

探访当天,南京五桥在进行上部结构架设的作业。魏乐永告诉澎湃新闻记者,南京五桥作为一个三塔斜拉桥,建设主要分为四个步骤,基础施工、桥墩桥塔施工、上部结构架设、合龙后的桥面铺装和交安设施施工。目前每座塔已挂到第5对索,总共每座塔需要20对索。预计2020年上半年全桥能够实现合龙,2020年底将建成具备通车条件。

探访当天南京长江五桥北塔在吊梁施工 澎湃新闻记者 郑朝渊 图

谈及南京五桥建成通车后所带来的影响,崔冰列举称,南京二桥一年的交通量在3800多万辆,日交通量大概在8万辆;南京三桥一年的交通量大概在1300万辆,日交通量接近4万辆;南京四桥一年的交通量大概在1300万,日交通量近4万辆;都是在迅速增长。回过头来看南京五桥,南京五桥是连接江北新区和南京市核心地带的主要通道,它的建成可以大大缓解其他通道的拥堵情况,为江南江北人们的通行带来很大便利。

南京市公共工程建设中心主任武焕陵在接受澎湃新闻记者采访时表示,随着南京城市区域经济的发展,感到过江通道明显不足。比较明显的案例是,在1992年建造南京二桥时,当时南京只有一座长江大桥,那时候大桥的交通量只有2万多,当时预计到2001年南京二桥通车后有7万多的交通量。今年3月做的实地调查显示,南京区域过江的交通量已经达到38万,20多年时间里交通量的增长翻了几十倍。尤其是2015年南京江北新区获批后,未来远景预计江北地区总人口将近300万-400万,因此城市发展和交通出行对过江通道的需求会不断增长。

“我们预测到2035年南京区域过江通道的交通量将达76万,到2040年将达到85万辆。”

他透露,现有南京过江通道规划又进行了修编,已经获批的过江通道规划23处25条,其中南京长江大桥为1处2条(公铁两用),京沪高铁大胜关长江大桥1处2条(高铁与轨道交通并线),有14条为道路过江通道,专门走汽车。这14条在2035年前必须建完,届时将基本和预测的76万辆交通量匹配。

对于大桥对区域经济发展的助力,武焕陵认为是不言而喻的。他以南京三桥为例,南江三桥的对岸为江北新区,在造桥时对岸的房价为每平米1500-3000元,三桥建成通车后一直稳定在每平米8000-10000元。谈及南京五桥,武焕陵表示,“现在房地产商打广告,五桥的每个节点都马上公布出来,这就是促进经济发展的一个缩影。”

在武焕陵看来,大桥解决了人们的出行,通车后江南、江北从地理上来讲将没什么区别。加上位于江北新区的江苏自贸区南京片区正式获批后,目前江北新区的发展势头非常好,“更显得过江通道建设的迫切。”

谈及亲历的南京大桥建设,武焕陵很有感触。从南京最早上世纪90年代初酝酿做过江通道(南京长江大桥除外)开始,他就一直在这个团队。作为南京过江通道建设的亲历者,武焕陵表示,自己也同样见证了中国在大跨径桥梁建设方面的发展历程。“南京二桥时期,当时使用的是进口的钢材、结构材料、架桥设备、沥青等;到了南京三桥时期,钢材结构等主要建设材料已经实现国产化,包括架桥机、桥面吊机都是中国自主研发;再到南京四桥,基本上已经完全实现国产化。”

不过他也坦言,目前在建设大跨径桥梁方面,由于起步较晚,很多核心技术中国和国外还是有一些差距,比如设计软件是国外的,桥梁相关的规范和工程管理标准也是沿用国外,这些都亟待日后赶上。

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