世界最高A型橋塔誕生！青山長江大橋建成後橋像「漂」在空中~

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　通常而言，100米以上的建築就會被稱作「摩天大樓」，北京著名的地標建築，中央電視台總部大樓「大褲衩」的高度也不過234米。

　　而如今，武漢一座建築的高度輕鬆超過了大褲衩，達到了271.5米，成為了幾乎全城都看得到的地標。只不過這座建築並不是一棟住人的大樓，而是武漢青山長江大橋的A型索塔。它的出現刷新了世界上最高A型索塔的紀錄。

　　下面我們就來講講這座比大樓還高的大橋。

（一）什麼是斜拉橋的索塔？

　　斜拉橋是通過許多條相互獨立的斜拉索將主梁直接拉在豎直橋塔上的一種現代橋樑。它由受壓的索塔、受拉的斜拉索和受壓彎的梁體組成。

　　由於高強度的斜拉索可以將橋樑分段拉起，而非依靠梁自身的抗彎剛度強行支撐，因此斜拉橋的跨度通常可以做得很大。加之斜拉橋獨有的剛度大、抗風能力強等特點，使得斜拉橋成為了當今最流行的橋樑構型之一。

　　但斜拉橋也有其獨特的受力特點。由於斜拉索在拉住橋樑的過程中同時會產生橋面的附加壓力，當橋樑過長時，由於斜拉索的傾斜角度更低，因此就會產生更大的附加壓力，對斜拉索和主梁都有害處。

　　這時就必須要加高索塔，讓斜拉索的傾斜角度更大，這樣才能讓橋樑的受力更加合理。武漢青山長江大橋的「摩天索塔」就是在這樣的需求下出現的。索塔里雖不住人，但它所要承擔的內外部壓力可不見得比摩天大樓小。

　　首先，相比起「腰寬脖子粗」的摩天大樓，出於造價和基礎承載力考慮，索塔的寬度往往很小，看起來十分單薄。

　　但另一方面，它又必須承擔得起重量幾倍於自身的橋樑自重以及橋上時刻變化的交通荷載。再加上大風、地震力這些「不按套路出牌」的水平力以及水和潮濕空氣的腐蝕、船舶的碰撞，索塔要背負著這些壓力達到120年的使用壽命，不僅不能發生破壞，也不能發生過大的變形或擺動，這確實不是一件容易的事情。

　　而青山長江大橋的世界最高A型索塔，又是所有這些高難度索塔中最為高難的一個。它271米的高度，要肩負起252根斜拉索傳遞來的壓力，其中最大一根斜拉索的拉力高達780噸。

（二）青山長江大橋到底難在哪？

　　青山長江大橋是武漢的第11座長江大橋。它是一座公路橋，跨江主橋總長4374米，橫穿江心小島天興洲。

　　天興洲以南跨越主航道的橋段為主跨938米、中間不設置任何輔助橋墩的雙塔雙索麵鋼箱及鋼箱結合梁斜拉橋，是世界第四長跨斜拉橋；跨越北側副河道的則為鋼管混凝土拱橋，由此形成了「一洲兩橋」的獨特景觀。

　　全橋採用雙向十車道高速公路建設標準進行建設，設計時速100公里，橋面寬47米，為長江上最寬的橋樑。

　　青山長江大橋也是世界跨度最大的全漂浮體系斜拉橋。大橋一千多米的鋼樑中沒有橫樑的支撐，整個梁段均是依靠斜拉索的拉力支撐，處於「全懸浮」狀態，亦即整個橋樑與橋墩之間完全無連接，處於相互分離的狀態。

　　這樣一來，整座大橋的重量就全部通過斜拉索傳到了索塔的塔頂。在地震或颶風到來時，全斜拉橋可以不受橋墩的約束而縱向擺動，避免結構共振，達到抗震消能的作用。當橋樑發生溫度變形或正常的徐變變形時，相互脫離的懸浮結構也能避免橋中產生過大的內部應力。

　　青山長江大橋所採用的A型索塔與大型斜拉橋通常採用的雙柱型索塔有所不同。乍看上去，A型索塔確實比雙柱型索塔更加美觀，但它們的區別可不僅僅體現在美觀上。

　　雙柱型索塔之所以被廣泛採用，與它本身優異的性能有關。雙柱型索塔的兩柱放出的斜拉索分別拉住大橋的兩側，受力都分布在同一平面內，加之其立面布置是直上直下的，這樣平順的結構最適合進行構件的模塊化生產和爬模施工，誤差也最容易得到控制。

　　然而，H形的結構並不穩固。當高度進一步增大時，雙柱型索塔的兩根柱在受力上就容易「各自為政」，這對於大橋受力的整體性是不利的。

　　相比起來，雖然A型索塔的施工難度更高，但它的三角形結構較之於雙柱型索塔而言更加穩固。索塔的左右兩柱在塔頂處交匯，使得大橋左右兩側斜拉索傳來的力在中間交匯，索塔的受力具有了整體性，在如地震這樣劇烈外力的作用下，不易發生破壞。

　　雖然A型索塔並非直上直下的常規結構，而是具有1/9~1/12的斜率，但經過改進的爬模仍然可以進行索塔的自動化施工。索塔的塔柱看起來纖細，但其實並非實心，而是長11米，寬8米，壁厚1.2米的箱形截面。

　　爬模採用ZMP-100型液壓自爬模，每6米一個標準節段進行施工，將整個橋塔分為48個節段。A字形的橫樑採用托架法進行施工，與兩側的塔柱同步澆築。這樣一來，僅用580天即可將整個271米高的橋塔修建完成。

　　青山長江大橋的A型索塔不僅自身堅固，與地層的連接也非常緊密。大橋的基礎位於江水當中，而長江中的淤泥質土層十分鬆軟，因此橋塔採用了變截面鑽孔灌注樁的基礎模式。

　　採用大直徑變截面旋轉攥深水基礎施工工藝，將60根長94米、直徑3米的混凝土灌注樁深深扎在地下，僅用80天就保質保量地完成了施工，將索塔牢固地固定在長江之中。

（三）將工人解放出來的自動爬升模板

　　現澆混凝土結構的施工都要依賴模板。

　　施工人員預先紮好鋼筋籠，將模板按照設計中混凝土的形狀架設好，然後向其中澆築混凝土。待其硬化成型後，再將模板拆下進行周轉，以澆築下一階段的混凝土。

　　在工地上，負責架設模板的工人被稱作「木工」，是工地中的技術工種。模板有沒有足夠的承載能力，會不會漏漿、跑模，構造是否足夠簡單，模板的周轉周期和使用壽命，這些都由木工師傅們的手藝來控制。

　　不過，在索塔這樣的超高層建築施工中，再依靠人工來進行模板的拆裝，不僅質量無法控制，而且施工效率極低，這時就必須採用自動的爬升模板來進行施工。

　　它由模板、爬架和爬升設備組成，擁有自動爬升的能力，不需要附加起重設備，可以減少施工場地中起重機械的數量。爬模上還可以自帶腳手架或懸掛腳手架，可以讓施工人員隨爬模進行施工，省去施工中額外的腳手架的架設和拆除工序，提高施工效率。

　　在建築施工中採用爬模施工，速度往往可以達到3-5天一層。可以說，「中國速度」是離不開爬模的。

　　爬模的施工過程乍看上去有些科幻，它會依託於下段牆體進行固定，模版內通常由自動的輸送、自動密實成型的泵送混凝土澆築。待本層混凝土硬化後，液壓爬升裝置開始工作，將爬架沿著剛剛硬化的牆體爬升到更高一層的位置，再將模板沿著爬架爬升到更高一層，隨後重新固定，並開始下一輪澆築。

　　整個過程中只需要少數幾個工人對爬模及混凝土澆築過程進行輔助性操作，絕大部分工序都是由模板自動完成的。一個爬升模板可以從底爬到頂，每到一層，建築就長高一層。

　　青山長江大橋的A型索塔並非普通大樓那樣直上直下，這使得它所使用的傾斜模板難度較之垂直模板更高。

　　斜牆體的傾角增加了測量定位放線的困難。索塔的牆體厚達1.2米，內部配筋率高於一般大樓，這也給混凝土的澆築工作帶來很大困難。

　　在索塔牆體傾斜的內側，爬升模板本身的自重和混凝土重量對模板產生的壓力都必須經過精確的計算，並對爬模、支架和連接部件進行妥善的加固。模板的預埋件、螺栓等連接構件都必須進行專門設計，才能支撐得住新拌混凝土帶來的巨大壓力。

結語

　　預計在2019年，耗資56.3億元的青山長江大橋將會建成通車。它將極大地改善武漢市內的公路交通狀況，同時刷新橋樑高度的世界紀錄。

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編輯| 史文慧