西堠門大橋，這座中國第一懸索橋，是如何對抗17級臺風(fēng)的？
西堠門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、國內(nèi)第一，其中鋼箱梁全長位居世界第一。設(shè)計通航等級3萬噸、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)。
西堠門大橋位于受臺風(fēng)影響頻繁的海域，橋位處水文、地質(zhì)、氣候條件復(fù)雜，而我國尚無在臺風(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，攻堅克難，奮力拼搏，攻下了一個又一個難關(guān)。2007年9月中旬的“韋帕”和10月初的“羅莎”兩次臺風(fēng)侵襲舟山時，西堠門大橋橋上實(shí)測最大風(fēng)力達(dá)到13級，正處于架梁期的大橋勝利地經(jīng)受了考驗(yàn)。
全長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江三角洲高速公路網(wǎng)絡(luò)。
2007年12月16日上午11時18分，舟山連島工程西堠門大橋第126段鋼箱梁完成吊裝、連接，至此，世界最長的鋼箱梁懸索橋——西堠門大橋主橋宣告全線貫通。
然而西堠門大橋的設(shè)計結(jié)構(gòu)在理論上是可以對抗17級臺風(fēng)的，怎樣的設(shè)計才能使這座懸索大橋?qū)?7級的大風(fēng)呢？
西堠門大橋的主橋?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、中國第一，其中鋼箱梁全長在懸索橋中居世界第一。設(shè)計通航等級3萬噸、通航凈高49.5米，使用年限100年。
舟山位于受臺風(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級超強(qiáng)臺風(fēng)。
但是，這座大橋畢竟是建在海里，風(fēng)高浪急，臺風(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市，位于浙江省東北部，人口116.8萬人，與眾不同的是，它是一個完全以群島建制的地級市，沒有一寸土地在大陸上。
舟山的港灣眾多，航道縱橫，是中國屈指可數(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。可惜由于是離島，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大橋。
（最左側(cè)連接舟山本島和大陸的長橋就是西堠門大橋）
西堠門大橋位處海峽之中。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始的先導(dǎo)索架設(shè)階段就存在。
西堠門大橋是一座懸索橋，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)索吊到對岸，再將一根根更粗的鋼索沿著先導(dǎo)索輸送過去，最后將鋼懸索架設(shè)過去。
通常，這根先導(dǎo)索是利用拖輪，或通過海底架設(shè)到對岸的。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，并且還要長時間封航，這在舟山海域都是很難做到的。
因此，西堠門大橋的先導(dǎo)索采用了直升機(jī)牽引過海的方案，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。
這在中國開創(chuàng)了先例，是自主開發(fā)完成的成套創(chuàng)新技術(shù)，其技術(shù)水平和社會經(jīng)濟(jì)效益都超過了同樣采用直升機(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。
西堠門大橋所處的海洋環(huán)境中，風(fēng)場紊流強(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)生幾場大臺風(fēng)。為了抵抗這些一年幾次的超強(qiáng)臺風(fēng)，西堠門大橋從頭到腳都采用了抗風(fēng)能力最強(qiáng)的設(shè)計，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)動響應(yīng)，專家對懸索橋的塔柱斷面形式進(jìn)行了氣動選形研究，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)境還會造成渦振問題，進(jìn)一步破壞索塔穩(wěn)定性。因此，經(jīng)過反復(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)的動力作用會造成大橋的顫振，而決定大橋顫振的主要是兩個因素：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，行車舒適性、疲勞壽命和行車安全性也是最優(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。工程開工時，這種高強(qiáng)鋼絲剛剛實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，相比起從日本進(jìn)口，造價可降低200多萬美元。
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間，減少雨水和潮濕含鹽空氣對鋼絲內(nèi)部的腐蝕、減少吊索涂裝對橋面鋪裝的污染。
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，同時通過纏繞鋼絲內(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，對于長細(xì)輕柔的多索股結(jié)構(gòu)，其風(fēng)振動形式主要表現(xiàn)為索股間互相碰撞和索段相對運(yùn)動。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條件下減小振動響應(yīng)，防止吊索相碰，可以將振動平均分配給各個索股，有效減小單一索股的過大振動。
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，吊索的各階振動均明顯減小，各階減振率達(dá)55％～95％。
西堠門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江三角洲的高速公路網(wǎng)絡(luò)，有利于舟山港口資源的開發(fā)，有力推動了寧波——舟山港口一體化進(jìn)程，在環(huán)杭州灣地區(qū)、長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。
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