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天上的橋——中國湘西矮寨特大懸索橋
2015-02-12 
    

   矮寨特大懸索橋為鋼桁加勁梁單跨懸索橋,橋梁兩端直接與隧道相連,采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計車速為每小時80公里,設(shè)計汽車荷載為公路-1級,橋面設(shè)計風(fēng)速34.9m/s。地震動峰值加速度0.05g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。路基寬度24.5米,橋身全長約1073.65m,懸索橋的主跨為1176m。矮寨懸索大橋項目啟動預(yù)算7.9億元,實際完工造價15億元。

   2007年10月矮寨特大懸索橋啟動建設(shè),橋面路基寬度24.5米,主跨達(dá)1176米。它是吉茶高速公路的關(guān)鍵性工程,是渝湘高速公路大動脈。也是包頭——茂名高速公路,中國國家高速公路網(wǎng)編號為G65的控制性工程。

   2010年3月28日9時10分,矮寨特大懸索橋茶洞岸端飛艇牽引著矮寨特大懸索橋先導(dǎo)索開始起飛升空,飛向峽谷對岸。15分鐘后,飛艇成功將先導(dǎo)索牽引到了對岸的巨型橋塔,先導(dǎo)索雖然直徑僅1毫米但承受的重量可達(dá)450公斤,它是第一級繩的引導(dǎo)索。通過先導(dǎo)索再逐級把牽引繩放大,第二級繩直徑將放到6毫米,接著是依次是直徑為9毫、16毫米、22毫米的鋼絲繩,一級一級加大,將橋主體結(jié)構(gòu)從橋的一岸牽引到另一岸。飛艇成功跨越跨度1176米的德夯大峽谷,將矮寨特大懸索橋先導(dǎo)索從茶洞岸引牽到吉首段,進(jìn)入主索纜施工階段。

   2010年7月中旬,大橋完成貓道架設(shè)和驗收。

   2010年10月20日,建設(shè)中的矮寨特大懸索橋的主纜完成了最后一根索股的架設(shè)。

   2011年8月20上午,隨著最后一顆鉚釘裝嵌到位,被譽為“世界峽谷跨徑最大鋼桁梁懸索橋”的湘西矮寨大橋的鋼桁梁正式合龍,標(biāo)志著大橋的全部主體工程建設(shè)完工。

   通車

   2012年3月31日,矮寨大橋正式通車,長沙至重慶高速公路的全線貫通。

   2012年4月,第一個鋼桁梁架設(shè)完畢。9月底,完成橋面板的鋪設(shè)。

   大橋特色

   世界第一

   一是大橋主跨1176米,跨峽谷懸索橋,創(chuàng)世界第一。

   二是首次采用塔、梁完全分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,創(chuàng)世界第一。

   三是首次采用軌索滑移法”架設(shè)鋼桁梁,創(chuàng)世界第一。

   四是首次采用巖錨吊索結(jié)構(gòu),并用碳纖維作為預(yù)應(yīng)力筋材,創(chuàng)世界第一。

   世界難題

   矮寨大峽谷是吉茶高速公路的必經(jīng)之地,懸索橋方案成為最佳選擇,矮寨特大懸索橋成為吉茶高速公路控制性工程。

   矮寨特大懸索橋位于湖南湘西州吉首市矮寨鎮(zhèn),系在建的吉首至茶洞高速公路的控制性工程,距吉首市約20公里,橫跨德夯大峽谷,落差達(dá)400多米。

   懸索橋,又名吊橋,即以通過索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。

   矮寨特大懸索橋一開始就與五大世界級難題狹路相逢——

   地形險要:橋面到峽谷底高差達(dá)355米,兩岸索塔位置距懸崖邊緣僅70至100米。

   地質(zhì)復(fù)雜:索塔處存在巖堆、巖溶、裂隙和危巖體等不良地質(zhì)現(xiàn)象。僅在吉首岸索塔基坑附近就發(fā)現(xiàn)大小溶洞18個,其中最大的溶洞體積近萬立方米。

   氣象多變:峽谷多霧,瞬間最大風(fēng)速為31.9米每秒,嚴(yán)重影響施工測量和主纜架設(shè)。

   吊裝難:主纜及鋼桁梁在300至400米高空架設(shè),單件吊裝最大重量達(dá)120噸。

   運輸難:土建工程運量大,僅鋼材、水泥、砂石等材料運輸總量就達(dá)18萬噸。

   施工方案

   一、首次采用塔梁完全分離結(jié)構(gòu)。一般懸索橋設(shè)計中,塔與梁相接,但矮寨大橋索塔位置距懸崖邊緣僅70-100米,下面即是數(shù)百米高的谷底,地形比較特殊。使用塔梁完全分離結(jié)構(gòu)可以最大限度減少對山體的開挖,縮短鋼桁梁長度,節(jié)省投資;實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)與自然景觀的完美融合。

   二、首次在懸索橋上使用大型巖錨吊索。由于選用了塔梁分離式懸索橋結(jié)構(gòu),使鋼桁梁長度小于主塔中心距,主纜存在無吊索區(qū),會出現(xiàn)吊索卸載應(yīng)力為零的情況,且鋼桁梁轉(zhuǎn)角位移大,鋼桁梁的上、下弦應(yīng)力超標(biāo),需對鋼桁梁作特殊設(shè)計。因而設(shè)計采用的是增加豎向錨固拉索方案,設(shè)豎向錨固拉索,通過預(yù)應(yīng)力巖錨將其錨固于巖石上。

   矮寨大橋的鋼桁加勁梁包括鋼桁架和橋面系。鋼桁架由主桁架、主橫桁架、上下平聯(lián)及抗風(fēng)穩(wěn)定板組成。主桁架為帶豎腹桿的滑輪式結(jié)構(gòu),由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。上弦桿、下弦桿采用箱形截面,除支座處腹桿采用箱型斷面外其余均采用工字型截面。主桁桁高7.5m,桁寬27m,節(jié)間長度7.25m。一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度14.5m,由2個節(jié)間組成,在每節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。

   主橫桁架采用單層桁架結(jié)構(gòu),由上、下橫梁及豎、直腹桿組成,其中上下橫梁采用箱形截面,腹桿均采用工字型截面。上、下平聯(lián)均采用K形體系、箱型截面。

   加勁梁的架設(shè)采用軌索移梁法,軌索移梁法即利用大橋永久吊索,在其下端安裝水平軌索,再將水平軌索張緊作為加勁梁的運梁軌道,實現(xiàn)由跨中往兩端節(jié)段拼裝大橋的鋼桁加勁梁。相對于橋面吊機(jī)拼裝方案,軌索移梁方案可大大減少鋼桁梁的高空拼裝作業(yè),既可節(jié)省工期和節(jié)約投資,又有利于保證施工安全及施工質(zhì)量。

   三、首次采用碳纖維預(yù)應(yīng)力索對巖錨底座進(jìn)行錨固。將巖錨吊索所受的拉力傳至地面巖體上,常規(guī)巖錨索預(yù)應(yīng)力筋材采用鋼絞線,矮寨大橋根據(jù)研究試驗后采用了高性能的碳纖維作為預(yù)應(yīng)力筋材,與傳統(tǒng)鋼絞線相比,碳纖維材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕的特點,為橋梁的安全提供充分的保障。[16]

   四、矮寨大橋采用了橋隧相聯(lián)的形式,施工階段,隧道入口仰(邊)坡開挖、隧道掘進(jìn)、塔基開挖、隧道式錨碇開挖均會對山體穩(wěn)定造成一定影響;運營階段,索塔與錨碇的荷載、端吊索的荷載將共同作用于山體。設(shè)計者運用了FLAC-3D巖土工程分析軟件建立巖體的本構(gòu)模型,對山體的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計算。對山體進(jìn)行了必要的加固防護(hù)措施,以確保山體的穩(wěn)定和橋梁結(jié)構(gòu)安全。

   五、為確保大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性和安全性,湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗中心圍繞該橋的抗風(fēng)設(shè)計問題,做了系統(tǒng)的計算分析以及風(fēng)洞試驗研究。設(shè)計制作了1:245的全橋氣彈模型,全面檢驗了矮寨大橋的抗風(fēng)性能,完全滿足抗風(fēng)設(shè)計要求。鑒于山區(qū)風(fēng)環(huán)境極其復(fù)雜,在橋址處建立了一種遠(yuǎn)程控制的新型的懸索吊掛式風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng),并已投入使用。長期觀測資料將充實和修正現(xiàn)有風(fēng)環(huán)境研究結(jié)果。

   重要意義

   吉茶高速公路是國家規(guī)劃的八條西部公路大通道之一 ――長沙至重慶高速公路中的一段,是湘西北的重要出

   口。作為該線建設(shè)的重要組成部分,矮寨大橋的作用真可謂是“天塹變通途”。矮寨大橋的建設(shè),將極大地改善湘渝兩省市的交通現(xiàn)狀,對兩省市乃至中西部的對接具有極其重要的意義。

   作為吉茶高速公路關(guān)鍵控制性工程,該橋的歷史意義和現(xiàn)實意義也非常重大。大橋建成后,矮寨公路堵車的現(xiàn)狀將成為歷史,而長沙到重慶、成都之間,再也不需要經(jīng)歷這驚心動魄 矮寨特大懸索橋的“公路奇觀”了。

   
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