出品| 網(wǎng)易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學(xué)土木工程博士

在四川省雅安市的雅西高速公路上，有一座云霧籠罩的螺旋形大橋——干海子特大橋，它依山勢(shì)而建，穿云破霧，還繞過(guò)了兩個(gè)360°的大回旋，看起來(lái)像是過(guò)山車的軌道一般。

干海子特大橋全長(zhǎng)1811米，與相連的干海子螺旋隧道一起，是雅西高速公路的控制性工程，也是世上罕見(jiàn)的螺旋形橋隧工程。它是世界上最長(zhǎng)的鋼管混凝土桁架梁橋，同時(shí)也是橋梁建設(shè)中難度最高的彎橋。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技藝創(chuàng)造了四項(xiàng)世界第一，使之在世界著名大橋中享有一席之地。

它的造型十分后現(xiàn)代，全橋廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)，車輛駛過(guò)時(shí)也會(huì)發(fā)出與眾不同的金屬聲音，就連大橋兩側(cè)的防撞護(hù)欄也是采用的豎直鋼結(jié)構(gòu)和橫向鋼梁組成，既通透減小風(fēng)阻，又能保護(hù)車輛?？梢哉f(shuō)，干海子大橋從上到下科技感十足。

干海子大橋的高科技可不是為了炫耀。它們都是被環(huán)境逼出來(lái)的。

（一）川西修大橋，首要任務(wù)是抗震

雅安這座小城之所以為世人所知，就是因?yàn)?013年發(fā)生的雅安地震。

雅安位處地中海-喜馬拉雅火山地震帶上。這里地震災(zāi)害頻發(fā)，而且震源深度往往很淺，這意味著即使是一個(gè)本來(lái)不大的地震也能產(chǎn)生極高的地震烈度，進(jìn)而在雅安造成極大的破壞。

在雅安地震中，震中蘆山縣龍門鄉(xiāng)99%以上的房屋垮塌，正是由于這種極高的地震烈度導(dǎo)致的。因此，干海子特大橋最要緊的任務(wù)就是抗震。

一個(gè)結(jié)構(gòu)要想抗震，那它的自重必須非常輕。因此，干海子特大橋的橋墩采用的不是一般大橋通用的混凝土橋墩，而是這種外觀類似于過(guò)山車支架的空管鋼架橋墩。

（輕盈的鋼架橋墩和粗壯的混凝土橋墩）

這些纖細(xì)的鋼架看起來(lái)不夠敦實(shí)，但實(shí)際上非常堅(jiān)固。

單一的長(zhǎng)鋼管雖然強(qiáng)度高，但是容易發(fā)生屈曲。因此，工程師們?cè)阡摴苤g連接了密集的斜桿及橫撐，使整個(gè)橋墩的結(jié)構(gòu)融為一體。

對(duì)于超過(guò)60米的超長(zhǎng)橋墩，還在其中設(shè)置了腹板，橫向增設(shè)K型支撐，使橋墩根本不存在屈曲的問(wèn)題。這樣纖細(xì)的橋墩，算下來(lái)承載力不比敦實(shí)的混凝土橋墩差。

除此之外，鋼架還有著混凝土不具備的一項(xiàng)重要性能，那就是延性。如果真的遭遇了過(guò)強(qiáng)的地震，大橋無(wú)法抵抗發(fā)生屈服，那么鋼架橋不會(huì)發(fā)生垮塌，而是會(huì)產(chǎn)生有限的變形吸收地震能量，為人員留出寶貴的逃生時(shí)間。

對(duì)于那些較高的橋墩，工程還使用了鋼管混凝土柱肢 混凝土腹板形成組合橋墩，這是工程中此類橋墩的首次應(yīng)用。

其中，鋼管混凝土是一種非常優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)。它在鋼管中填充混凝土，利用堅(jiān)韌的鋼管承受彎曲應(yīng)力，并對(duì)中間的混凝土進(jìn)行圍束。獲得了鋼管“加持”的混凝土抗壓能力變得非常強(qiáng)勁，只需要很小的截面積，就可以獲得與很粗的混凝土柱相同的承載力。

（鋼管混凝土）

然而，鋼管混凝土的施工并不容易，尤其是對(duì)于干海子特大橋而言。

這里海拔接近3000米，冬季平均溫度-4.7℃，山上會(huì)覆蓋厚厚的積雪。在如此低溫下養(yǎng)護(hù)混凝土，它的強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重?fù)p失，即使使用早強(qiáng)水泥、乙二醇抗凍劑等傳統(tǒng)抗凍手法也仍然無(wú)法應(yīng)付。

核心混凝土的失效會(huì)嚴(yán)重影響鋼管混凝土整體的力學(xué)性能發(fā)揮。為此，大橋的混凝土使用了一種特殊的外加劑——引氣劑。

它可以在混凝土當(dāng)中引入許多肉眼看不見(jiàn)的微小的氣泡，進(jìn)而改善混凝土的流動(dòng)性和勻質(zhì)性，減少混凝土的泌水。它可以有效提高混凝土的抗凍能力，最適合干海子大橋的低溫、高強(qiáng)度情況。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的短柱模擬試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，工程部終于摸清了引氣劑的性能和最優(yōu)摻量，最終實(shí)現(xiàn)了鋼管與混凝土的緊密結(jié)合，保障了冬季施工下的工程質(zhì)量。

在以鋼材為主的輕型結(jié)構(gòu)保障下，大橋?qū)崿F(xiàn)了9度的抗震設(shè)防烈度，這是建筑抗震烈度的最高等級(jí)。結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化還將原設(shè)計(jì)的51跨簡(jiǎn)化為了36跨，不僅節(jié)約了成本，而且進(jìn)一步減輕了自重，提高了抗震性能。

（二）“亞洲第一螺旋”，讓道路既不太陡又不太遠(yuǎn)

一般來(lái)講，修建山區(qū)公路時(shí)，要么修一條筆直的長(zhǎng)橋穿山越谷而過(guò)，要么依山建起盤山公路?？墒歉珊Ｗ犹卮髽蚴且蛔鶑潖澙@繞的螺旋形大橋，這是為什么呢？

原來(lái)，雅西高速上從園根村到大營(yíng)盤的這12公里路段，海拔高度從1649米爬升至2362米，高差達(dá)713米。如果按照傳統(tǒng)的隧道修建法，將這段路修成直線，它的坡度會(huì)達(dá)到5.8%，冬天一下雪，這段路就會(huì)成為哈爾濱“冰雪大世界”里的冰滑梯，車輛根本無(wú)法通行。

（哈爾濱冰雪大世界）

于是，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種“半盤山道”，也就是螺旋道路。它也是利用了盤山道的“省力費(fèi)距離”原理，但并不是貼著山體修建，而是距離山體外一段距離修建橋梁。

這樣，既可以保證坡度不太陡，又可以縮短公路的距離，同時(shí)還避免了道路緊貼山體被地質(zhì)災(zāi)害破壞。這段干海子隧道與干海子橋梁一起，以60公里的時(shí)速行駛，耗時(shí)只需10分鐘，就可以以2.9%的坡度完成326.79米的爬升，并絲毫不受地形的限制。

這段精妙的設(shè)計(jì)被工程界稱為“亞洲第一螺旋”。

然而，螺旋橋梁的設(shè)計(jì)、施工難度，都遠(yuǎn)非普通橋梁可比。

在力學(xué)中，彎曲結(jié)構(gòu)的受力遠(yuǎn)比筆直結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。尤其是在彎曲段，更是容易發(fā)生所謂的“應(yīng)力集中”，使得局部的應(yīng)力比正常狀態(tài)下高出幾倍。

因此，工程師在設(shè)計(jì)彎曲的橋梁、道路、建筑物時(shí)，涉及到的計(jì)算量都比規(guī)則結(jié)構(gòu)高出許多。這需要豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)和。

此外，在發(fā)生地基的不均勻沉降時(shí)，高螺旋橋梁由于其內(nèi)部的復(fù)雜受力情況，很容易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。為此，大橋巧妙地布置了伸縮縫，避免結(jié)構(gòu)之間相互影響。并基于計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)，提高抗拉強(qiáng)度。

（大橋的伸縮縫）

（三）鋼纖維混凝土，打造“韌性大橋”

普通的混凝土是一種脆性材料，它承受壓力的能力很強(qiáng)，但是受到拉力作用時(shí)，混凝土內(nèi)部細(xì)小的微裂紋就會(huì)迅速擴(kuò)展，進(jìn)而發(fā)生斷裂。

目前，通過(guò)調(diào)整用水量與外加劑，混凝土的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)可以做得很高了，甚至可以和巖石媲美，但其抗拉強(qiáng)度仍然很低。即使與抗拉能力很強(qiáng)的鋼筋配合使用，也只能在宏觀承載力上達(dá)到要求，卻完全無(wú)法抵抗裂縫的產(chǎn)生。

外界的氧氣、水分和有害離子會(huì)順著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，腐蝕鋼筋。平時(shí)，荷載的產(chǎn)生自上而下，大橋內(nèi)部應(yīng)力恒定，裂縫的負(fù)面作用尚不明顯；一旦地震到來(lái)，荷載來(lái)自四面八方，這種普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就很容易發(fā)生破壞。

（混凝土的腐蝕）

干海子特大橋相比起普通大橋的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，就是其全面采用了鋼纖維混凝土進(jìn)行施工。

在混凝土中摻入一定的鋼纖維，在混凝土凝結(jié)硬化之后，鋼纖維就會(huì)與混凝土牢牢地握裹在一起，產(chǎn)生一種特殊的咬合效應(yīng)。在受到外界拉力時(shí)，鋼纖維會(huì)承擔(dān)起這部分荷載，牢牢限制混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展。

這樣，混凝土就變成了一種既不怕壓、又不怕拉的材料。無(wú)論荷載來(lái)自哪個(gè)方向，它都可以保持強(qiáng)度，并且限制裂縫的擴(kuò)展。外界有害物質(zhì)難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，大橋的耐久性也得到了顯著的延長(zhǎng)。

（纖維增強(qiáng)混凝土的變形性能）

鋼纖維混凝土的好處還遠(yuǎn)不止這些。

當(dāng)重大地震發(fā)生時(shí)，再?gòu)?qiáng)有力的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生破壞。這時(shí)普通混凝土就會(huì)直接崩潰，建筑發(fā)生坍塌。而鋼纖維混凝土則不會(huì)崩潰，而是會(huì)發(fā)生很大的變形，產(chǎn)生許多細(xì)密的裂紋吸收地震的變形能。

結(jié)語(yǔ)

干海子特大橋歷時(shí)僅三年即建成通車，標(biāo)志著中國(guó)的橋梁建設(shè)實(shí)力領(lǐng)先世界。它的順利建成使成都到西昌的距離縮短為420公里，車程從10小時(shí)縮減到了5小時(shí)，極大地振興了川南山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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編輯| 史文慧