西堠門(mén)大橋，這座中國(guó)第一懸索橋，是如何對(duì)抗17級(jí)臺(tái)風(fēng)的？
西堠門(mén)大橋是連接舟山本島與寧波的舟山連島工程五座跨海大橋中技術(shù)要求最高的特大型跨海橋梁，主橋?yàn)閮煽邕B續(xù)半漂浮鋼箱梁懸索橋，主跨1650米，位居目前懸索橋世界第二、國(guó)內(nèi)第一，其中鋼箱梁全長(zhǎng)位居世界第一。設(shè)計(jì)通航等級(jí)3萬(wàn)噸、使用年限100年。該橋具有技術(shù)難度大、科技創(chuàng)新多、抗風(fēng)性能高等亮點(diǎn)。
西堠門(mén)大橋位于受臺(tái)風(fēng)影響頻繁的海域，橋位處水文、地質(zhì)、氣候條件復(fù)雜，而我國(guó)尚無(wú)在臺(tái)風(fēng)區(qū)寬闊海面建造特大跨徑鋼箱梁懸索橋的實(shí)踐先例。全體大橋建設(shè)者堅(jiān)持理念創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和科技創(chuàng)新，實(shí)施精細(xì)化管理，攻堅(jiān)克難，奮力拼搏，攻下了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。2007年9月中旬的“韋帕”和10月初的“羅莎”兩次臺(tái)風(fēng)侵襲舟山時(shí)，西堠門(mén)大橋橋上實(shí)測(cè)最大風(fēng)力達(dá)到13級(jí)，正處于架梁期的大橋勝利地經(jīng)受了考驗(yàn)。
全長(zhǎng)50公里的舟山連島工程是浙江省重點(diǎn)工程和“五大百億”工程之一，工程完工后將使舟山交通完全融入長(zhǎng)江三角洲高速公路網(wǎng)絡(luò)。
2007年12月16日上午11時(shí)18分，舟山連島工程西堠門(mén)大橋第126段鋼箱梁完成吊裝、連接，至此，世界最長(zhǎng)的鋼箱梁懸索橋——西堠門(mén)大橋主橋宣告全線貫通。
然而西堠門(mén)大橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在理論上是可以對(duì)抗17級(jí)臺(tái)風(fēng)的，怎樣的設(shè)計(jì)才能使這座懸索大橋?qū)?7級(jí)的大風(fēng)呢？
西堠門(mén)大橋的主橋?yàn)閮煽邕B續(xù)鋼箱梁懸索橋，主跨1650米，位居懸索橋世界第二、中國(guó)第一，其中鋼箱梁全長(zhǎng)在懸索橋中居世界第一。設(shè)計(jì)通航等級(jí)3萬(wàn)噸、通航凈高49.5米，使用年限100年。
舟山位于受臺(tái)風(fēng)影響頻繁的海域，橋位處水文、地質(zhì)、氣候條件復(fù)雜，因此西堠門(mén)大橋是世界上抗風(fēng)要求最高的橋梁之一。
它采用了世界上尚無(wú)先例的分體式鋼箱加勁梁，滿足了抗風(fēng)穩(wěn)定性要求，顫振臨界風(fēng)速達(dá)到88米/秒以上，因此可抗17級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。
但是，這座大橋畢竟是建在海里，風(fēng)高浪急，臺(tái)風(fēng)中的離島如何整合進(jìn)大陸中？
舟山是浙江省下轄的地級(jí)市，位于浙江省東北部，人口116.8萬(wàn)人，與眾不同的是，它是一個(gè)完全以群島建制的地級(jí)市，沒(méi)有一寸土地在大陸上。
舟山的港灣眾多，航道縱橫，是中國(guó)屈指可數(shù)的天然深水良港，這在浙江這片高速發(fā)展的沃土上是一份極其寶貴的資源?？上в捎谑请x島，與大陸之間的交通需要依靠原始的船運(yùn)，島與島之間也需要依賴船運(yùn)。加之舟山附近海域風(fēng)高浪急，臺(tái)風(fēng)多發(fā)，船運(yùn)也很難穩(wěn)定。因此，舟山優(yōu)質(zhì)的港口資源一直難以得到利用。
上世紀(jì)90年代起，舟山開(kāi)始規(guī)劃大陸連島工程。舟山共建成跨海大橋20余座，這些大橋橫跨于各島之間，成為海島經(jīng)濟(jì)的生命線。這其中最重要的，就是連接舟山本島與寧波的西堠門(mén)大橋。
（最左側(cè)連接舟山本島和大陸的長(zhǎng)橋就是西堠門(mén)大橋）
西堠門(mén)大橋位處海峽之中。由于島嶼分布密集，暗礁眾多，因此水流復(fù)雜，流速極大，這給施工造成了很大的難度，這種施工難度從最開(kāi)始的先導(dǎo)索架設(shè)階段就存在。
西堠門(mén)大橋是一座懸索橋，這是最經(jīng)典的現(xiàn)代橋梁形式之一。它是以通過(guò)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，它靠這根“粗繩”承力，將橋面本身的重量和交通工具的荷載通過(guò)細(xì)細(xì)的吊索吊在粗繩上。這樣，橋面的重力與交通的載荷就沿著這根吊索傳到了兩端高聳的索塔上，進(jìn)而傳給地面。
懸索結(jié)構(gòu)是一種受力非?？茖W(xué)的結(jié)構(gòu)形式，鋼材制成的懸索非常適宜承擔(dān)拉力，它可以使用最小的自重承載最大的交通荷載，并且橋面板受到的彎矩很小，基本不受跨距的限制。因此，現(xiàn)今的大跨徑橋梁多采用懸索橋的形式。
從大橋的尺度上看，這根懸索十分纖細(xì)；但實(shí)際上，這條懸索粗達(dá)1米，重達(dá)萬(wàn)噸，想要直接張拉在兩岸是不可能的。那么，怎么才能將懸索從一側(cè)拉到另一側(cè)呢？
這就需要先導(dǎo)索的幫助。
先將一根纖細(xì)的先導(dǎo)索吊到對(duì)岸，再將一根根更粗的鋼索沿著先導(dǎo)索輸送過(guò)去，最后將鋼懸索架設(shè)過(guò)去。
通常，這根先導(dǎo)索是利用拖輪，或通過(guò)海底架設(shè)到對(duì)岸的。但采用這些方法，要么受天氣、風(fēng)浪等條件影響很大，要么受到海底障礙物，如暗礁的影響很大，并且還要長(zhǎng)時(shí)間封航，這在舟山海域都是很難做到的。
因此，西堠門(mén)大橋的先導(dǎo)索采用了直升機(jī)牽引過(guò)海的方案，在大量實(shí)驗(yàn)研究、操演和資料的基礎(chǔ)上，直升機(jī)僅用了23分鐘，就將先導(dǎo)索布設(shè)成功。
這在中國(guó)開(kāi)創(chuàng)了先例，是自主開(kāi)發(fā)完成的成套創(chuàng)新技術(shù)，其技術(shù)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益都超過(guò)了同樣采用直升機(jī)布設(shè)先導(dǎo)索的日本明石海峽大橋，綜合技術(shù)水平居世界第一。
西堠門(mén)大橋所處的海洋環(huán)境中，風(fēng)場(chǎng)紊流強(qiáng)度很高，風(fēng)強(qiáng)度大，且缺乏規(guī)律，災(zāi)害性天氣頻發(fā)，每年都要發(fā)生幾場(chǎng)大臺(tái)風(fēng)。為了抵抗這些一年幾次的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，西堠門(mén)大橋從頭到腳都采用了抗風(fēng)能力最強(qiáng)的設(shè)計(jì)，尤其是其中采用了能夠極大降低顫振的分體式鋼箱加勁梁，這在世界上尚屬首次。
為了降低風(fēng)動(dòng)響應(yīng)，專家對(duì)懸索橋的塔柱斷面形式進(jìn)行了氣動(dòng)選形研究，索塔看似粗壯，但作用在上面的風(fēng)力實(shí)則大得驚人，索塔的風(fēng)阻系數(shù)直接決定了塔基傳遞給基巖的荷載大小，進(jìn)而決定了索塔的穩(wěn)定。
此外，舟山海域復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境還會(huì)造成渦振問(wèn)題，進(jìn)一步破壞索塔穩(wěn)定性。因此，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，人們決定在塔柱斷面的角點(diǎn)部位設(shè)置凹槽，進(jìn)而降低索塔風(fēng)阻，改善索塔抗風(fēng)性能。
風(fēng)的動(dòng)力作用會(huì)造成大橋的顫振，而決定大橋顫振的主要是兩個(gè)因素：主纜和加勁梁。
其中，大橋箱梁內(nèi)部的加勁梁的形狀和幾何尺寸具有決定性作用。工程采用了雙箱斷面方案，既有很高的技術(shù)成熟度，又能最大限度地節(jié)約成本，行車(chē)舒適性、疲勞壽命和行車(chē)安全性也是最優(yōu)。它能夠極大地降低風(fēng)振響應(yīng)，將臨界響應(yīng)風(fēng)速提高到現(xiàn)實(shí)環(huán)境不可能達(dá)到的高度，提高了大橋的穩(wěn)定性。
大橋的主纜采用強(qiáng)度1770MPa的平行鋼絲，力學(xué)強(qiáng)度是普通建筑鋼材的8倍。工程開(kāi)工時(shí)，這種高強(qiáng)鋼絲剛剛實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，相比起從日本進(jìn)口，造價(jià)可降低200多萬(wàn)美元。
主纜作為不可更換的永久結(jié)構(gòu)，其耐久性決定了整個(gè)大橋的使用壽命，而可靠的主纜防護(hù)是確保主纜耐久性的關(guān)鍵。西堠門(mén)大橋主纜防護(hù)構(gòu)造采用了重防護(hù)涂裝體系，涂裝十分復(fù)雜。除了涂裝各種防腐材料外，還要在整體表面纏繞細(xì)密的鍍鋅低碳鋼絲。
西堠門(mén)大橋地處海洋環(huán)境，水汽含鹽份較多，從緊纜結(jié)束至涂裝工作完成前，每逢雨天，跨中或錨側(cè)主纜低端位置匯水下滴通常會(huì)持續(xù)幾天。在這種干濕交替環(huán)境下，金屬構(gòu)件極易發(fā)生電化學(xué)作用而腐蝕，對(duì)主纜鋼絲防護(hù)十分不利。
考慮到上述因素影響，在確保工程質(zhì)量的前提下，西堠門(mén)大橋采用“先纏絲，后鋪裝”的施工工藝，以縮短海洋腐蝕環(huán)境下主纜暴露在外的時(shí)間，減少雨水和潮濕含鹽空氣對(duì)鋼絲內(nèi)部的腐蝕、減少吊索涂裝對(duì)橋面鋪裝的污染。
而纏繞鋼絲則為主纜鋼絲提供保護(hù)，它在主纜外表面構(gòu)成一個(gè)具有足夠壓力的套箍，將兩索夾之間的鋼絲夾緊，以保持主纜的空隙率最小，同時(shí)通過(guò)纏繞鋼絲內(nèi)外防護(hù)涂層隔絕大氣環(huán)境，保證主纜的涂裝防護(hù)效果。
除了主索外，連接主索與橋面箱梁之間的吊索也需要進(jìn)行減震。由于這些吊索較細(xì)，在風(fēng)力作用下更容易發(fā)生震蕩，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)輕柔的多索股結(jié)構(gòu)，其風(fēng)振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為索股間互相碰撞和索段相對(duì)運(yùn)動(dòng)。除了傳統(tǒng)的改變吊索表面形狀、減小風(fēng)力作用外，工程師們還基于理論分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，確定了分隔器減震方案。
這樣可以在同樣的激勵(lì)條件下減小振動(dòng)響應(yīng)，防止吊索相碰，可以將振動(dòng)平均分配給各個(gè)索股，有效減小單一索股的過(guò)大振動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝分隔器后，吊索的碰索現(xiàn)象不再發(fā)生，吊索的各階振動(dòng)均明顯減小，各階減振率達(dá)55％～95％。
西堠門(mén)大橋是舟山連島工程的五座跨海大橋中技術(shù)要求最高的特大型跨海橋梁，是浙江省重點(diǎn)工程和“五大百億”工程之一，工程完工后使舟山交通納入長(zhǎng)江三角洲的高速公路網(wǎng)絡(luò)，有利于舟山港口資源的開(kāi)發(fā)，有力推動(dòng)了寧波——舟山港口一體化進(jìn)程，在環(huán)杭州灣地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。
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