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桥梁安全的“上海元素”

来源:   时间:2003-06-23  浏览:
浦江上的第六座桥——卢浦大桥即将正式通车。桥,又一次成为了这座城市的焦点。
这是一群深深影响着近代城市建设行进步伐的建筑。百年前,苏州河上众多桥梁的架起迅速盘活了两岸的落后面貌。1990年代以来,黄浦江出现的一座座斜拉索桥,再一次改变了上海桥梁的原有格局。
桥,为上海承载的细节愈来愈多,它们的安全系数引人注目。

没有桥墩——恐怖无从下手

“‘9·11’后,美国许多桥梁专家开始反思,既然恐怖撞击如此有效,那么不排除恐怖分子也可能用船撞的方式袭击那些关键大桥,比如纽约的布鲁克林。”同济大学桥梁系教授范立砂告诉记者。在他看来,这种可能性是存在的,因为撞击对桥的破坏非常厉害。“一旦,大吨位的船只开足马力向桥面撞去,轻则使其裂缝变形,重则摇摇欲坠随时跨塌。”
然而,上海的桥所要面对的抗撞风险,范立砂却是另一番分析。“对于黄浦江上的杨浦、南浦、徐浦、卢浦4座主要大桥而言,这些担心显得多余。因为,它们没有为可疑船只留下撞击的目标,桥墩的设计都被安排在了江岸之上,即使别有用心,想从下面动摇这些桥,也无处下手。同时,各桥桥面距离水面都有50米左右的高度,桥下过往的船只一般无法触碰得到。”
作为这4座大桥的设计师,林元培在设计之初便将人为破坏作为重中之重,一个很重要的思想就是,竭力避免在江中出现桥墩,化解船只对桥的撞击。“是南京长江大桥、武汉长江大桥等大桥每年无数次意外被撞事件启发了我。”林元培说。
“同样,这些桥的斜拉索也不惧怕飞机等物体的撞击。”他向记者透露,每根斜拉索比胳膊粗,都是一些特殊钢材原料制成,经过了多个程序的技术处理,极具抗高温、抗碰撞优势。假如来者是一些小型飞机,结果粉身碎骨的不是斜拉索,而是飞机本身。即便遇到超大型号飞机的撞击,也没有必要诚惶诚恐,因为它们顶多破坏到其中的几跟斜拉索,其它拉索照样支撑桥的暂时稳定,不至于马上造成桥的跨塌。

新贵卢浦——单包炸药难动筋骨

爆破,是破坏桥梁的传统方法。而黄浦江上的各斜拉桥都具备足够的抗爆破能力。卢浦大桥的抗爆能力更强,总设技师林元培对自己作品的安全性极为自信。
据了解,卢浦大桥的抗震能力除了满足国际标准之外,还有新的突破。为保证大桥在车辆的制动力、风力、地震力等水平力的作用下,伸缩缝两侧的桥面不发生碰撞。设计者特别为大桥装上了4条“安全带”:即在大桥的两根中间横梁上,各放置两个3米长的粘滞阻尼器。一旦大桥发生剧烈震动,这个装置立刻会产生很大的阻尼力,起到缓冲作用,一下子“拉”住大桥,防止两边桥面与中间产生剧烈碰撞和震动。在如此规模的巨型拱桥上运用阻尼器,世界上还是第一次。
“如此使得大桥在950年一遇的特大地震作用下,可以保证钢板不开裂,钢筋不会被拉断。即使遇上3280年一遇的超强地震,它也有足够的变形能力,在强烈震动下左摇右摆上抖下晃,但绝对不会倒塌。”
由于,对于主跨550米钢拱桥的抗震设计,在我国根本无规范可循。为此,同济大学土木工程防灾国家实验室桥梁抗震研究室的专家们还特意编制了《城市桥梁抗震设计规范》,和普通的抗震规范不同,新规范不仅能验算大桥强度的抗震能力,还能验算大桥的变形能力。
与此同时,建造卢浦大桥在施工过程中需要进行多次不同造桥工艺的转换,而且大桥的跨径超长,其结构受力变化大,需要在建造过程中时时进行施工控制和调整措施。解决这些问题,都需要依靠计算机软件这一“大脑”,可世界上找不到相应的计算软件。
在这个新的软件设计中,总设计师林元培创造性地提出了“非线性薄壁空间杆件稳定有限元法”的计算理论。同时,为了“双保险”,市政设计院和同济大学地基教研室兵分两路,同时开发设计软件。
据介绍,这套程序是目前世界上首个针对如此大型全焊接式钢拱拱桥的设计计算机软件,通过它可以验证大桥的结构设计、整体是否稳定,其内容亦可计算各种类型桥梁内力。
软件出来后,设计者立即对卢浦大桥的安全系数进行了数据测试,结论是2.5,非常高,比预想的还要好。据悉,这个软件即将对其它几座大桥进行测算。
卢浦大桥的坚固还体现在其独特的设计理念。总设计师林元培告诉记者,卢浦大桥在世界上首次集斜拉桥、钢拱桥、悬索桥三种不同类型桥梁的施工工艺于一身。巧妙的设计手法,不仅使大桥显得更为美观,更使得大桥形成了一种巨大的合力。
由于上面拱桥本身的重力,跨径550米的卢浦大桥将产生约2万吨的水平推力。在此之下,专家又为大桥安装16根巨型水平拉索,它们将大桥两端紧紧地“捆绑”在一起。因此,将不会出现“牵一发而动全身”的恶果。“一旦拱桥、拉索、桥面中有一个环节出现了问题,其它的用力将维护大桥整体的存在。”
此外,卢浦大桥在工艺上的精益求精又为大桥的安全多上一个保险。林元培说,卢浦大桥以全焊接连接代替螺栓连接,其难度在造桥史上是空前的。虽然焊接好处多多,但难度也随之增大。卢浦大桥采用的S355N钢是种十分“娇贵”的钢材,上海建工的焊工用“绣花”一般的手法“熔和”钢铁,使每两个硕大钢拱肋之间的对接焊缝错边偏差都小于1毫米,连一只小蚂蚁也爬不过去。而经过浦东、浦西两边近50节拱肋、超过500米长的空间距离,两边到合龙段时的轴线(位置)偏差连5毫米也不到。

鼻祖外白渡——可能再度百年

“实际上,上海的桥是有安全传统的。”上海市政管理处桥梁专家殷建国如此评价。一个典型的例子便是,苏州河与浦江交汇口的外白渡桥,这是上海最早建成的一座钢结构桥梁,桥长104.24米,宽18.4米,净空高5.75米,车行道宽11.2米,两侧人行道各宽为2.6米,载重20吨为二孔钢桁架桥,1907年建成,是上海桥梁的鼻祖。
近百年岁月中,外白渡桥真正经受了多次人为因素的破坏,抗日战争就在它的附近,但依旧安然无恙,继续承载着它的运载功能。殷建国不无幽默的比喻,“换个说法,外白渡实际早在七八十年前就经受了恐怖袭击的考验。”
解放后,外白渡桥更多地沟通起苏州河两岸的交通,曾屡屡遭遇过往船只的撞击。相比苏州河上的其它桥,外白渡更显示出了它抗击人为因素的出众一面。那些混凝钢结构的桥因为撞击会出现不同程度裂缝,但外白渡桥却始终安然无恙,原因在于它独特的全钢结构。当年,这些钢材都是从英国运抵而来,而且都是英国最好的钢材,现在在一些钢梁上还可看到制造公司的名称。加上设计上,外白渡桥由横梁、竖梁、平梁的衔接浑然一体,一般的撞击对它而言,无非只是可能出现一些刚条的变形。
殷建国告诉记者,对外白渡曾有过两次大的维修,第一次在上世纪六十年代,第二次是1992年。两次大修主要是更换一些钢梁之间的螺栓。殷说,按照生命分类,外白渡已经步入老年期,但它却没有表现的老态龙钟,它的使用寿命还可能再延续百年。因为,苏州河航运功能减弱,外白渡的人为损伤将更少。

《新闻晨报》 2003年06月22日

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