橋梁設計大師——中國橋梁領域的愛迪生
2013-08-05
兩次修復，成就武漢長江大橋百年輝煌
被譽為“萬里長江第一橋”的武漢長江大橋是中國第一座橫跨長江的橋梁，同時也是我國第一座復線鐵路、公路兩用橋。這座于1955年9月動工，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江江面之上，猶如一道飛架的彩虹，在長江天塹上鋪成了一條坦途。一句“一橋飛架南北，天塹變通途” 便道出了武漢長江大橋的建成通車對溝通中國南北交通的重要意義：平漢鐵路和粵漢鐵路由此實現(xiàn)了連接，南北交通發(fā)生了根本性的變化，大大促進了武漢市鐵路樞紐建設進程，使素有“九省通衢”之稱的武漢市成為全國重要的鐵路樞紐。
武漢長江大橋全長1670.4米，正橋是鐵路公路兩用的雙層鋼桁結構梁橋，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，左岸引橋共有17孔，其中自05號橋墩以后，鐵路部分采用22米高填土路基與龜山相連接。
1963年，通車7年的武漢長江大橋，由于基礎不對稱下沉造成07號墩墩身開裂。要對這座從軌面到基礎深達40米的橋墩進行修復原本就是一項困難的任務，而更令人頭疼的是，此時的武漢長江大橋已經(jīng)成為南北交通的重要樞紐，這就要求修復工作必須在照常通車和隱蔽施工的情況下進行。
這時，剛過而立之年的楊進根據(jù)武漢長江大橋07號墩的實際情況，提出了一個獨具匠心的方案——“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)造性地運用到了橋梁基礎施工中來， 成功修復了07號墩。
然而，至此，楊進與這座大橋的緣分還沒有結束。1982年初，武漢長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120毫米，鐵路行車被迫中斷，給交通運輸帶來了很大的不利。對此，楊進設計出了一套自平衡頂架，在較短期內保持單線行車的條件下即將弦桿整復，使大橋恢復了正常行車。歷時約一個月，費用50萬元不到。
敢想敢做，禹門口黃河橋再試牛刀
在20世紀70年代的文革后期，楊進事實上主持候西線禹門口黃河鐵路橋單跨144米鋼桁梁的架設施工中，放棄了已定的采用在深水40米流速4～5秒/米的峽口建設臨時支墩的方案 ，改為采用前接導梁牽引后端逐節(jié)拼裝的拖拉方案，省時省料一舉成功。在設計過程中，曾有同事私下告誡他：“萬一出問題，你不怕掉腦袋嗎！”
隨后楊進又獨立自主完成了對應于鐵路橋的跨度144米的具有加勁梁的公路懸索橋的設計和施工，從而在實際工作中深入了解對懸索橋結構在理念上的認識。
在鐵道部交通部合并期間，國家開始恢復經(jīng)濟建設，提出三年改變港口面貌的目標。楊進接受主持連云港二突堤萬噸級泊位首次采用鋼板樁岸壁碼頭的工程設計。通過對土力學平衡理論的深入分析，圓滿完成了該項工程。接下來他又承擔了江陰澄西船廠的順岸舾裝碼頭首次采用高樁梁板結構的設計和應邀主持設計南化公司的起重500t的大件碼頭工程，從而拓寬了在土木工程方面的知識面。
1978年至1980年間，楊進開始主持三茂線肇慶西江公鐵兩用大橋的設計，首次突破了鐵路橋墩不采用高樁承臺基礎的禁區(qū)。該橋為5×144米桁梁雙層橋，其中水上的2、3號橋墩采用每墩4根直徑3米的鉆孔鋼管柱。4號墩處因水深40米，河床基巖復蓋層淺，創(chuàng)新構思出《雙承臺管柱鉆孔基礎》的方案，一年內完成了施工，共只用鋼材125噸，實屬價廉物美。若干年后建設的蕪湖長江公鐵兩用橋的鋼桁梁灘橋的基礎也采用了高承臺樁基礎。
迎難而上，開啟中國現(xiàn)代懸索橋梁之路
上個世紀九十年代初，在汕頭經(jīng)濟特區(qū)興建汕頭海灣大橋的計劃被提上了廣東省交通廳的議程。此時，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行。遲遲沒有在此修建橋梁的原因有很多：首先我國還沒有在海灣上建橋的先例，缺少實踐上的經(jīng)驗和技術上的保障；而且汕頭地處強臺風、強地震區(qū)域，潮汐頻繁，一直以來都被認為是修橋的“禁區(qū)”。
楊進憑借過人的膽識和專業(yè)的技術決心攻克這些技術難關。他將原先投標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，并于中標兩個月之后提交了正式的設計文件：主跨452米、邊跨154米的三跨雙鉸，預應力混凝土薄壁箱形加勁梁懸索橋方案。汕頭海灣大橋的設計采用了有較大重力的流線型的預應力鋼筋混凝土薄壁箱型結構作為懸索橋的加勁梁，妥善地解決了強臺風地區(qū)空氣動力穩(wěn)定性問題；在抗震設計中做了減震、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，在采用海底基礎施工技術、預應力超長束施工、鞍座減摩復位技術及架設設備的設計制造等方面都推動了我國建橋技術的發(fā)展。
歷時4年，被李國豪教授譽為“橋梁明珠”的汕頭海灣大橋順利建成通車，成為我國沿海高等級公路主干線的重要紐帶，使深圳、珠海、廈門與汕頭四個經(jīng)濟特區(qū)的聯(lián)系更加方便快捷。它的落成標志著自武漢、南京等長江大橋之后，是中國又一個特大橋梁建設里程碑的開始，開創(chuàng)了我國自行建造現(xiàn)代大跨懸索橋的歷史。汕頭海灣大橋和楊進先生隨后主持設計的西陵長江大橋共同推動了國內懸索橋的設計、計算、施工、制造、機械匹配等技術產(chǎn)業(yè)鏈的形成，經(jīng)濟和社會效益顯著。
1993年，楊進主持設計了為三峽工程施工服務的西陵長江大橋。西陵長江大橋是三峽水利樞紐工程前期準備工程的關鍵項目之一，是聯(lián)系三峽工程長江兩岸的交通紐帶。鑒于工期緊迫和橋下過流與航道在橫向三次大的變動，楊進以其在技術上的卓見提出主跨900米、主梁采用全焊接正交異性板箱形結構的懸索橋方案，一跨過長江，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，也填補了國內在更大跨度懸索橋技術上的空白。西陵長江大橋也因其這樣的首次成功而被譽為“神州第一跨”。
更為重要的是，在西陵長江大橋上，楊進將由國外引進的鋼箱梁技術首次運用到中國的橋梁建設中，推動了鋼箱梁技術在國內的普遍推廣。談起這個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，鋼箱梁技術的運用存在著一定的困難，因為其本身是以空間狀態(tài)存在，受力也是空間狀態(tài)下擴散的受力，所以即使是模擬出了某個點的應力也不能說明整個橋體情況。這與以往單純縱向受力的結構有著很大的不同，對設計師的要求也更高。設計師要在構造性受力方面憑借自身的經(jīng)驗來進行判斷，以彌補鋼箱梁結構在此所存在的不便于操控的缺陷。同時，楊老先生也指出，鋼箱梁的焊接工程量很大，對工藝的要求也很高，如果表面打磨得不精細就會造成受力不均，從而導致開裂。
大膽務實，推進混合梁斜拉橋發(fā)展進程
兩年之后，已經(jīng)創(chuàng)造了很多成功作品的楊進給中國橋梁界帶來了又一技術新思路。
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，大橋的設計師同樣是楊進。1995年，楊進和他的專業(yè)團隊，在很短的時間內便提出了主橋主跨518米、全長906米的采用鋼箱梁與預應力混凝土箱梁共用的混合梁斜拉橋方案。這是國內首座混合梁斜拉橋方案，推進了國內鋼箱梁斜拉橋技術的發(fā)展，為中國大跨度斜拉橋開始采用鋼箱梁結構首開先例。
這一方案主要的技術優(yōu)勢表現(xiàn)在改善了全橋的靜力平衡，增強了整體剛度和氣動穩(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力，因而使兩主塔的基礎工程量減少近40%，以總工程量和不變單價與原定方案對比，該優(yōu)化方案節(jié)約工程費用近2億元人民幣，在技術和經(jīng)濟方面都有著無可挑剔的優(yōu)勢。隨后武漢白沙洲大橋采用了與其相似的結構體系，從而使主塔基礎的規(guī)模大為減小。
2001年前后由楊老主持設計建成的天津塘沽海河橋，這座獨塔主跨310m的斜拉橋也因采用了混合梁而大量節(jié)省投資。
面對當今橋梁界對于鋼梁結構的普遍熱情，楊老語重心長：“現(xiàn)在的人都覺得鋼梁是最保險的，但卻忽視了混合梁是最經(jīng)濟的橋梁結構。如今的橋梁界最不關注的就是經(jīng)濟問題。實際上如果方案本身處理的不恰當、不合理，在資金上的浪費是很大的，比如造一座大規(guī)模的橋梁，不同的方案在造價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江大橋和荊岳長江大橋終于消除了顧慮，成功地實現(xiàn)了混合梁方案的采用。
2001年前后，楊進主持設計建成的宜昌市夷陵長江大橋是一座三塔雙主跨2×348米中心單索面斜拉橋，主梁采用預制節(jié)段展翅箱形預應力結構，其混凝土總用量0.72m3/m2，是總造價最節(jié)省的一座大橋。
寶刀不老，勾畫泰州大橋神來之筆
預計2011年底正式通車的泰州長江大橋是繼江陰大橋、潤揚大橋等之后建設的又一座特大跨徑橋梁?？缃鳂驗橹骺?×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)新結構同樣是出自經(jīng)驗豐富、不墨守成規(guī)的橋梁設計大師楊進之手。
楊老談到，之所以會采用三塔雙主跨鋼箱梁懸索橋這樣獨特的設計，主要還是出于對實際情況的分析和考慮。首先，橋位處的江面寬闊，大橋跨越的長江江面寬達2.3公里，且河床呈淺ω形斷面，如果依然采用一個大主跨那樣一跨過江的方案，投入的資金就會大幅度的提高。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，并適應長江河勢的變化，水中只有一個主塔基礎也能最大限度減少建橋對水流的影響，降低了船舶撞擊的風險；另外，采用三塔雙主跨懸索橋水面開闊，也就降低了對兩岸港口碼頭間船舶航行的影響，對長江兩岸的經(jīng)濟發(fā)展起到積極的促進作用。
楊老表示，泰州長江三塔懸索橋的出現(xiàn)，并非事物的終點，年內即將開工的武漢市鸚鵡洲長江大橋，考慮到其處于市內城區(qū)的范圍和長江防洪條件的要求，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構。“如果有幸再碰上一處水面要建橋，我或許還要再出新招。”
最后楊老有點不無遺憾地談到，當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，鐵道部下達修建京滬高速鐵路的計劃，決定在南京大橋下游2公里處的上元門一線跨越長江。根據(jù)該處水面中部為船行盲區(qū)的情況，提出了一個對應于現(xiàn)在大橋航孔3對1的雙主跨2×480米當時尚少見的三塔斜拉橋方案。行車主梁為PC箱形整體結構，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。后因社會上對高鐵是采用輪軌還是磁懸浮之爭一時難定而停頓。“但該方案在技術理念上已在近年得到認可而采納，也算是微薄的建成樹吧！”
從“倒砌法”巧妙設想、自平衡頂架的精妙構思，獨孔大跨度橋梁的牽引架設，到大跨度現(xiàn)代懸索橋的合理引進、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計方面的創(chuàng)新發(fā)明，楊進——這個中國橋梁行業(yè)的領軍人物給國內的橋梁領域呈現(xiàn)了一個又一個具有里程碑意義的設計方案。從事橋梁工程設計50多年，他主持了眾多大型橋梁工程的設計和施工指導工作，為中國橋梁行業(yè)填補了一項又一項空白。如此高產(chǎn)而又出新的設計師自然稱得上是中國橋梁設計領域的愛迪生。
而更為重要的是，縱覽楊進老師在橋梁設計方面的發(fā)明成就，便不難看出他所堅持的發(fā)明理念就是“經(jīng)濟實用、因地制宜”。不斷出奇制勝的楊老，從不曾以標新立異或者世界之最為目標，他的創(chuàng)造發(fā)明都是將實際的自然環(huán)境、經(jīng)濟投入和美觀實用等因素綜合起來加以研究、考慮，從而得出的設計作品。當那些標榜世界第一的怪異橋梁被逐一淹沒在時間的長河中時，我們卻依舊在為楊老的那些巧妙作品而喝彩。
