橋梁設(shè)計(jì)大師——中國(guó)橋梁領(lǐng)域的愛迪生
2013-08-05
兩次修復(fù)，成就武漢長(zhǎng)江大橋百年輝煌
被譽(yù)為“萬里長(zhǎng)江第一橋”的武漢長(zhǎng)江大橋是中國(guó)第一座橫跨長(zhǎng)江的橋梁，同時(shí)也是我國(guó)第一座復(fù)線鐵路、公路兩用橋。這座于1955年9月動(dòng)工，1957年10月15日正式通車的大型橋梁，橫臥于漢陽龜山和武昌蛇山之間的長(zhǎng)江江面之上，猶如一道飛架的彩虹，在長(zhǎng)江天塹上鋪成了一條坦途。一句“一橋飛架南北，天塹變通途” 便道出了武漢長(zhǎng)江大橋的建成通車對(duì)溝通中國(guó)南北交通的重要意義：平漢鐵路和粵漢鐵路由此實(shí)現(xiàn)了連接，南北交通發(fā)生了根本性的變化，大大促進(jìn)了武漢市鐵路樞紐建設(shè)進(jìn)程，使素有“九省通衢”之稱的武漢市成為全國(guó)重要的鐵路樞紐。
武漢長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)1670.4米，正橋是鐵路公路兩用的雙層鋼桁結(jié)構(gòu)梁橋，上層為公路橋，下層為雙線鐵路橋，橋身共有八墩九孔，每孔跨度為128米，橋下可通萬噸船隊(duì)，左岸引橋共有17孔，其中自05號(hào)橋墩以后，鐵路部分采用22米高填土路基與龜山相連接。
1963年，通車7年的武漢長(zhǎng)江大橋，由于基礎(chǔ)不對(duì)稱下沉造成07號(hào)墩墩身開裂。要對(duì)這座從軌面到基礎(chǔ)深達(dá)40米的橋墩進(jìn)行修復(fù)原本就是一項(xiàng)困難的任務(wù)，而更令人頭疼的是，此時(shí)的武漢長(zhǎng)江大橋已經(jīng)成為南北交通的重要樞紐，這就要求修復(fù)工作必須在照常通車和隱蔽施工的情況下進(jìn)行。
這時(shí)，剛過而立之年的楊進(jìn)根據(jù)武漢長(zhǎng)江大橋07號(hào)墩的實(shí)際情況，提出了一個(gè)獨(dú)具匠心的方案——“倒砌法”。他將修建煤礦豎井所使用的“倒砌井壁法”（在理念上與近年推行的地連墻法相似），創(chuàng)造性地運(yùn)用到了橋梁基礎(chǔ)施工中來， 成功修復(fù)了07號(hào)墩。
然而，至此，楊進(jìn)與這座大橋的緣分還沒有結(jié)束。1982年初，武漢長(zhǎng)江大橋第四孔鋼桁梁下弦桿被通過的打樁船重撞變形，桿件橫向翹曲的矢度達(dá)120毫米，鐵路行車被迫中斷，給交通運(yùn)輸帶來了很大的不利。對(duì)此，楊進(jìn)設(shè)計(jì)出了一套自平衡頂架，在較短期內(nèi)保持單線行車的條件下即將弦桿整復(fù)，使大橋恢復(fù)了正常行車。歷時(shí)約一個(gè)月，費(fèi)用50萬元不到。
敢想敢做，禹門口黃河橋再試牛刀
在20世紀(jì)70年代的文革后期，楊進(jìn)事實(shí)上主持候西線禹門口黃河鐵路橋單跨144米鋼桁梁的架設(shè)施工中，放棄了已定的采用在深水40米流速4～5秒/米的峽口建設(shè)臨時(shí)支墩的方案 ，改為采用前接導(dǎo)梁牽引后端逐節(jié)拼裝的拖拉方案，省時(shí)省料一舉成功。在設(shè)計(jì)過程中，曾有同事私下告誡他：“萬一出問題，你不怕掉腦袋嗎！”
隨后楊進(jìn)又獨(dú)立自主完成了對(duì)應(yīng)于鐵路橋的跨度144米的具有加勁梁的公路懸索橋的設(shè)計(jì)和施工，從而在實(shí)際工作中深入了解對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)在理念上的認(rèn)識(shí)。
在鐵道部交通部合并期間，國(guó)家開始恢復(fù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提出三年改變港口面貌的目標(biāo)。楊進(jìn)接受主持連云港二突堤萬噸級(jí)泊位首次采用鋼板樁岸壁碼頭的工程設(shè)計(jì)。通過對(duì)土力學(xué)平衡理論的深入分析，圓滿完成了該項(xiàng)工程。接下來他又承擔(dān)了江陰澄西船廠的順岸舾裝碼頭首次采用高樁梁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)邀主持設(shè)計(jì)南化公司的起重500t的大件碼頭工程，從而拓寬了在土木工程方面的知識(shí)面。
1978年至1980年間，楊進(jìn)開始主持三茂線肇慶西江公鐵兩用大橋的設(shè)計(jì)，首次突破了鐵路橋墩不采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的禁區(qū)。該橋?yàn)?×144米桁梁雙層橋，其中水上的2、3號(hào)橋墩采用每墩4根直徑3米的鉆孔鋼管柱。4號(hào)墩處因水深40米，河床基巖復(fù)蓋層淺，創(chuàng)新構(gòu)思出《雙承臺(tái)管柱鉆孔基礎(chǔ)》的方案，一年內(nèi)完成了施工，共只用鋼材125噸，實(shí)屬價(jià)廉物美。若干年后建設(shè)的蕪湖長(zhǎng)江公鐵兩用橋的鋼桁梁灘橋的基礎(chǔ)也采用了高承臺(tái)樁基礎(chǔ)。
迎難而上，開啟中國(guó)現(xiàn)代懸索橋梁之路
上個(gè)世紀(jì)九十年代初，在汕頭經(jīng)濟(jì)特區(qū)興建汕頭海灣大橋的計(jì)劃被提上了廣東省交通廳的議程。此時(shí)，汕頭市南北城區(qū)的交通還在依靠輪渡這樣低效率的方式進(jìn)行。遲遲沒有在此修建橋梁的原因有很多：首先我國(guó)還沒有在海灣上建橋的先例，缺少實(shí)踐上的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上的保障；而且汕頭地處強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)地震區(qū)域，潮汐頻繁，一直以來都被認(rèn)為是修橋的“禁區(qū)”。
楊進(jìn)憑借過人的膽識(shí)和專業(yè)的技術(shù)決心攻克這些技術(shù)難關(guān)。他將原先投標(biāo)的頗具新意的鋼芯梁斜拉橋的主橋方案改變?yōu)榇罂缍痊F(xiàn)代懸索橋方案，并于中標(biāo)兩個(gè)月之后提交了正式的設(shè)計(jì)文件：主跨452米、邊跨154米的三跨雙鉸，預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁箱形加勁梁懸索橋方案。汕頭海灣大橋的設(shè)計(jì)采用了有較大重力的流線型的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄壁箱型結(jié)構(gòu)作為懸索橋的加勁梁，妥善地解決了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)空氣動(dòng)力穩(wěn)定性問題；在抗震設(shè)計(jì)中做了減震、隔震處置；梁端支承體系采用盆式球型橡膠支座作為懸索橋兩端的豎向約束支承，有效地與特長(zhǎng)混凝土主梁受諸多因素變形的特性相匹配。另外，在采用海底基礎(chǔ)施工技術(shù)、預(yù)應(yīng)力超長(zhǎng)束施工、鞍座減摩復(fù)位技術(shù)及架設(shè)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造等方面都推動(dòng)了我國(guó)建橋技術(shù)的發(fā)展。
歷時(shí)4年，被李國(guó)豪教授譽(yù)為“橋梁明珠”的汕頭海灣大橋順利建成通車，成為我國(guó)沿海高等級(jí)公路主干線的重要紐帶，使深圳、珠海、廈門與汕頭四個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū)的聯(lián)系更加方便快捷。它的落成標(biāo)志著自武漢、南京等長(zhǎng)江大橋之后，是中國(guó)又一個(gè)特大橋梁建設(shè)里程碑的開始，開創(chuàng)了我國(guó)自行建造現(xiàn)代大跨懸索橋的歷史。汕頭海灣大橋和楊進(jìn)先生隨后主持設(shè)計(jì)的西陵長(zhǎng)江大橋共同推動(dòng)了國(guó)內(nèi)懸索橋的設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工、制造、機(jī)械匹配等技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的形成，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。
1993年，楊進(jìn)主持設(shè)計(jì)了為三峽工程施工服務(wù)的西陵長(zhǎng)江大橋。西陵長(zhǎng)江大橋是三峽水利樞紐工程前期準(zhǔn)備工程的關(guān)鍵項(xiàng)目之一，是聯(lián)系三峽工程長(zhǎng)江兩岸的交通紐帶。鑒于工期緊迫和橋下過流與航道在橫向三次大的變動(dòng)，楊進(jìn)以其在技術(shù)上的卓見提出主跨900米、主梁采用全焊接正交異性板箱形結(jié)構(gòu)的懸索橋方案，一跨過長(zhǎng)江，以解決施工期間水流多變和航道受干擾的問題。這樣一來，僅用了29個(gè)月的工期就建成了大橋，保證了三峽大壩施工第一次大江截流如期舉行，也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在更大跨度懸索橋技術(shù)上的空白。西陵長(zhǎng)江大橋也因其這樣的首次成功而被譽(yù)為“神州第一跨”。
更為重要的是，在西陵長(zhǎng)江大橋上，楊進(jìn)將由國(guó)外引進(jìn)的鋼箱梁技術(shù)首次運(yùn)用到中國(guó)的橋梁建設(shè)中，推動(dòng)了鋼箱梁技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普遍推廣。談起這個(gè)自己十幾年前的作品，耄耋之年的楊老先生仍然感觸頗多。他談到，鋼箱梁技術(shù)的運(yùn)用存在著一定的困難，因?yàn)槠浔旧硎且钥臻g狀態(tài)存在，受力也是空間狀態(tài)下擴(kuò)散的受力，所以即使是模擬出了某個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力也不能說明整個(gè)橋體情況。這與以往單純縱向受力的結(jié)構(gòu)有著很大的不同，對(duì)設(shè)計(jì)師的要求也更高。設(shè)計(jì)師要在構(gòu)造性受力方面憑借自身的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，以彌補(bǔ)鋼箱梁結(jié)構(gòu)在此所存在的不便于操控的缺陷。同時(shí)，楊老先生也指出，鋼箱梁的焊接工程量很大，對(duì)工藝的要求也很高，如果表面打磨得不精細(xì)就會(huì)造成受力不均，從而導(dǎo)致開裂。
大膽務(wù)實(shí)，推進(jìn)混合梁斜拉橋發(fā)展進(jìn)程
兩年之后，已經(jīng)創(chuàng)造了很多成功作品的楊進(jìn)給中國(guó)橋梁界帶來了又一技術(shù)新思路。
汕頭礐石大橋的橋址區(qū)位于汕頭市區(qū)西部，是繼海灣大橋后又一座連接汕頭市南北城區(qū)的大型橋梁。這一次，大橋的設(shè)計(jì)師同樣是楊進(jìn)。1995年，楊進(jìn)和他的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，在很短的時(shí)間內(nèi)便提出了主橋主跨518米、全長(zhǎng)906米的采用鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁共用的混合梁斜拉橋方案。這是國(guó)內(nèi)首座混合梁斜拉橋方案，推進(jìn)了國(guó)內(nèi)鋼箱梁斜拉橋技術(shù)的發(fā)展，為中國(guó)大跨度斜拉橋開始采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)首開先例。
這一方案主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在改善了全橋的靜力平衡，增強(qiáng)了整體剛度和氣動(dòng)穩(wěn)定性。并新創(chuàng)采用彈性索的縱向約束，有效地降低了高地震的反應(yīng)力，因而使兩主塔的基礎(chǔ)工程量減少近40%，以總工程量和不變單價(jià)與原定方案對(duì)比，該優(yōu)化方案節(jié)約工程費(fèi)用近2億元人民幣，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都有著無可挑剔的優(yōu)勢(shì)。隨后武漢白沙洲大橋采用了與其相似的結(jié)構(gòu)體系，從而使主塔基礎(chǔ)的規(guī)模大為減小。
2001年前后由楊老主持設(shè)計(jì)建成的天津塘沽海河橋，這座獨(dú)塔主跨310m的斜拉橋也因采用了混合梁而大量節(jié)省投資。
面對(duì)當(dāng)今橋梁界對(duì)于鋼梁結(jié)構(gòu)的普遍熱情，楊老語重心長(zhǎng)：“現(xiàn)在的人都覺得鋼梁是最保險(xiǎn)的，但卻忽視了混合梁是最經(jīng)濟(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)。如今的橋梁界最不關(guān)注的就是經(jīng)濟(jì)問題。實(shí)際上如果方案本身處理的不恰當(dāng)、不合理，在資金上的浪費(fèi)是很大的，比如造一座大規(guī)模的橋梁，不同的方案在造價(jià)的差值上就可能倍增。”值得高興的是，不久之前建成的鄂東長(zhǎng)江大橋和荊岳長(zhǎng)江大橋終于消除了顧慮，成功地實(shí)現(xiàn)了混合梁方案的采用。
2001年前后，楊進(jìn)主持設(shè)計(jì)建成的宜昌市夷陵長(zhǎng)江大橋是一座三塔雙主跨2×348米中心單索面斜拉橋，主梁采用預(yù)制節(jié)段展翅箱形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其混凝土總用量0.72m3/m2，是總造價(jià)最節(jié)省的一座大橋。
寶刀不老，勾畫泰州大橋神來之筆
預(yù)計(jì)2011年底正式通車的泰州長(zhǎng)江大橋是繼江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等之后建設(shè)的又一座特大跨徑橋梁?？缃鳂?yàn)橹骺?×1080米的三塔雙主跨鋼箱梁懸索橋，系世界首例。而這一具有極大想象力的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)同樣是出自經(jīng)驗(yàn)豐富、不墨守成規(guī)的橋梁設(shè)計(jì)大師楊進(jìn)之手。
楊老談到，之所以會(huì)采用三塔雙主跨鋼箱梁懸索橋這樣獨(dú)特的設(shè)計(jì)，主要還是出于對(duì)實(shí)際情況的分析和考慮。首先，橋位處的江面寬闊，大橋跨越的長(zhǎng)江江面寬達(dá)2.3公里，且河床呈淺ω形斷面，如果依然采用一個(gè)大主跨那樣一跨過江的方案，投入的資金就會(huì)大幅度的提高。而三塔雙主跨鋼箱梁懸索橋的方案，不僅節(jié)約了成本，還能最大限度的利用橋址區(qū)河床的特點(diǎn)，并適應(yīng)長(zhǎng)江河勢(shì)的變化，水中只有一個(gè)主塔基礎(chǔ)也能最大限度減少建橋?qū)λ鞯挠绊?，降低了船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)；另外，采用三塔雙主跨懸索橋水面開闊，也就降低了對(duì)兩岸港口碼頭間船舶航行的影響，對(duì)長(zhǎng)江兩岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。
楊老表示，泰州長(zhǎng)江三塔懸索橋的出現(xiàn)，并非事物的終點(diǎn)，年內(nèi)即將開工的武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋，考慮到其處于市內(nèi)城區(qū)的范圍和長(zhǎng)江防洪條件的要求，該橋采用了三塔四跨雙鉸全懸吊的方案，主梁也改用了小邊箱梁的鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)。“如果有幸再碰上一處水面要建橋，我或許還要再出新招。”
最后楊老有點(diǎn)不無遺憾地談到，當(dāng)前高鐵大跨度鐵路橋梁正方興未艾，深感力不從心。唯一可以自慰的是在1998年前后，鐵道部下達(dá)修建京滬高速鐵路的計(jì)劃，決定在南京大橋下游2公里處的上元門一線跨越長(zhǎng)江。根據(jù)該處水面中部為船行盲區(qū)的情況，提出了一個(gè)對(duì)應(yīng)于現(xiàn)在大橋航孔3對(duì)1的雙主跨2×480米當(dāng)時(shí)尚少見的三塔斜拉橋方案。行車主梁為PC箱形整體結(jié)構(gòu)，上面疊合無下弦桿的桁架予以加勁。該方案偶然為陳新院士所見被推薦至鐵道部，成為唯一可行的橋梁方案。后因社會(huì)上對(duì)高鐵是采用輪軌還是磁懸浮之爭(zhēng)一時(shí)難定而停頓。“但該方案在技術(shù)理念上已在近年得到認(rèn)可而采納，也算是微薄的建成樹吧！”
從“倒砌法”巧妙設(shè)想、自平衡頂架的精妙構(gòu)思，獨(dú)孔大跨度橋梁的牽引架設(shè)，到大跨度現(xiàn)代懸索橋的合理引進(jìn)、混合梁斜拉橋的大膽使用，再到三塔雙跨鋼箱梁懸索橋的橫空出世，還有很多很多諸如此類的在橋梁設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新發(fā)明，楊進(jìn)——這個(gè)中國(guó)橋梁行業(yè)的領(lǐng)軍人物給國(guó)內(nèi)的橋梁領(lǐng)域呈現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)具有里程碑意義的設(shè)計(jì)方案。從事橋梁工程設(shè)計(jì)50多年，他主持了眾多大型橋梁工程的設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)工作，為中國(guó)橋梁行業(yè)填補(bǔ)了一項(xiàng)又一項(xiàng)空白。如此高產(chǎn)而又出新的設(shè)計(jì)師自然稱得上是中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域的愛迪生。
而更為重要的是，縱覽楊進(jìn)老師在橋梁設(shè)計(jì)方面的發(fā)明成就，便不難看出他所堅(jiān)持的發(fā)明理念就是“經(jīng)濟(jì)實(shí)用、因地制宜”。不斷出奇制勝的楊老，從不曾以標(biāo)新立異或者世界之最為目標(biāo)，他的創(chuàng)造發(fā)明都是將實(shí)際的自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)投入和美觀實(shí)用等因素綜合起來加以研究、考慮，從而得出的設(shè)計(jì)作品。當(dāng)那些標(biāo)榜世界第一的怪異橋梁被逐一淹沒在時(shí)間的長(zhǎng)河中時(shí)，我們卻依舊在為楊老的那些巧妙作品而喝彩。
