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创新引领铸精品 不惧风浪立潮头

——舟山大陆连岛工程西堠门大桥建设纪实

 

2007年12月16日，舟山连岛工程西堠门大桥第126段钢箱梁完成吊装、连接，至此，世界最长的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥主桥宣告全线贯通。

由中交公路规划设计院有限公司（简称公规院）设计的西堠门大桥是舟山大陆连岛工程五座跨海大桥的第四座，跨越水深流急的西堠门水道，连接册子岛至金塘岛。

 

图1 舟山西堠门大桥位置图

西堠门大桥为主跨1650米的钢箱梁悬索桥，建成时是我国跨径第一、世界第二的特大型悬索桥。

 

图2 舟山西堠门大桥全景

 

大桥的建成，结束了舟山与大陆隔海相望、非舟楫不相往来的历史，对促进舟山经济、社会跨越发展发挥了极为重要的作用。

西堠门大桥位于受台风影响频繁的海域，桥位处水文、地质、气候条件复杂，而我国尚无在台风区宽阔海面建造特大跨径钢箱梁悬索桥的实践先例。全体大桥建设者坚持以创新为引领，实施精细化管理，攻坚克难，奋力拼搏，攻下了一个又一个难关。

大桥实施期间，承担国家科技支撑项目1项，交通运输部科技计划项目1项，浙江省交通运输厅科技计划项目11项，投入科研经费超过1.12亿元，攻克了若干世界级技术难题，取得了一批国际领先、具有突破性的科研成果。技术成果中达到国际领先水平的有4项，达到国际先进水平的有21项，达到国内领先水平的有5项，获得各级政府和中国公路学会、省公路学会设立的科技奖共17项。

直面台风难题 创新研发分体式钢箱梁

“船老大好当，西堠门难过。”这是流传在舟山的一句歌谣。多变的气候、复杂的水流，就连有着多年海上运输经验的船老大都敬畏三分。尤其是到每年的台风季节，舟山海域巨浪滔天。舟山是台风多发区，西堠门大桥处在中国沿海高风速带，每年7月至9月台风影响频繁，最大风力达到13级。11月至次年3月季风盛行，风力可达11级。而在当时，我国尚无在台风区宽阔海面建造特大跨径钢箱梁悬索桥的实践先例。

要想在这里架起一座跨径达1650米的大桥，风是建设者们面临的巨大挑战。战胜挑战，不仅需要勇气，更需要工程师们的汗水与智慧。设计是工程建设的龙头，有着多年丰富经验的公规院工程师面对挑战，勇往直前。

在没有先例经验可以借鉴的情况下，设计师们开始了大量的试验和分析研究，来解决抗风的难题。

在这个过程中，项目工程师发现了颤振临界风速随开槽宽度变化的新规律，凝练出了颤振临界风速的解析计算公式；通过系统的全桥气弹模型和大尺度节段模型风洞试验，选定了兼顾抗风性能和经济指标的最优槽宽为6米，不仅克服了整体式钢箱梁难以满足抗风要求的问题，而且与钢桁梁相比，降低了用钢量、简化了养护维修，是新一代综合性能优越的加劲梁。

 

图3 分体式钢箱梁节段图

图4 分体式钢箱梁中央开槽

               

在此基础上，为了加强构件的强健性，项目建设者揭示了分体式钢箱梁纵横向受力规律和传力机理，系统研究了钢桥面板疲劳机理和抗疲劳设计及维护方法，
实现了钢箱加劲梁技术的创新。

 

图5 底板主拉应力方向示意图

图6正交异性钢桥面板疲劳试验情况

           

分体式钢箱梁的构造与受力有别于整体式钢箱梁，通过采用缩尺比1:2、总重60吨的悬吊模型进行了大尺度模型试验研究，研发了多点同步液压加载系统和支承方式，解决了复杂构造、悬吊系统和边界条件的完整准确模拟问题，揭示了分体式钢箱梁受力规律和传力机理；通过疲劳荷载调查、基于2亿辆车的调查结果，提出了公路钢桥面板疲劳设计车辆荷载简化模型、进行了15个试件的正交异性钢桥面板构造细节的疲劳试验、开展了1000万次模拟移动轮载的双点反相位加载足尺模型疲劳试验以及实桥静动载试验，系统研究了钢桥面板疲劳机理和抗疲劳设计方法。

图7 大尺度悬吊节段模型试验

这些举措，让西堠门大桥项目首次在特大跨径悬索桥中实践了新型分体式钢箱梁、攻克了结构抗风稳定性难题。据悉，西堠门大桥的桥面设计基准风速为每秒55米、颤振检验风速高达每秒79米，能抵抗17级超强台风，是目前世界上颤振检验风速最大、抗风要求最高的桥梁之一。

研发高强度主缆 后续经济效益凸显

主缆是悬索桥主要承重构件，主缆的自重占恒载比例会随着跨径的增大而增大，提高主缆强度是提升悬索桥的跨越能力和经济性的最有效途径，用1770MPa钢丝代替1670MPa钢丝可以节省钢材5.7%，用1860MPa钢丝代替1670MPa钢丝可以节省钢材10.2%。直到上个世纪末，国内生产桥梁缆索用1770MPa镀锌钢丝的盘条都完全依赖进口。

为此，项目建设者研发了Φ5mm系列缆用高强度平行钢丝，达到了国际先进水平、填补了国内空白，成功应用于西堠门大桥等悬索桥，并形成了规模化生产，后续经济效益巨大。同时，采用微合金化技术、超纯净钢冶炼技术、特殊控轧控冷技术等先进方法，研制并生产出高强钢丝专用B82MnQL盘条，打破了国外的技术垄断，取代了此前的S82B仿制盘条。

表1 研发的Φ5mm系列高强度镀锌钢丝主要技术性能

参数名称	镀锌钢丝主要 技术性能标准	1770MPa钢丝检测结果			1860MPa钢丝检测结果
		最大	最小	平均	最大	最小	平均
抗拉强度(MPa)	≥1770或≥1860	1910	1770	1842	1910	1870	1891
屈服强度(MPa)	≥1410或≥1490	1760	1450	1638	1800	1600	1687
延伸率％	≥4.0	6.0	4.0	5.2	5.0	4.0	4.6
反复弯曲（次）	≥4	11	6	7.8	10	7	8
反复扭转（次）	≥8	33	9	21	27	19	21
锌层重量(g/m2)	≥300	423	301	358	402	320	362

此外，基于B82MnQL专用盘条，研发了“三度控制”热镀锌工艺、“双张紧＋限径模”稳定化工艺等自主创新技术，制造出的Φ5mm系列1770MPa缆用高强钢丝达到了国际先进水平，促进了国产高强线材及盘条产业技术进步。

 

图8 大尺度悬吊节段模型试验

值得一提的是，B82MnQL盘条及1770MPa钢丝首次应用于特大跨径悬索桥——西堠门大桥，此后还推广应用于南京长江四桥和马鞍山长江大桥等国内特大跨径悬索桥，标志着我国特大跨径悬索桥缆索用高强度镀锌钢丝的制造技术跨入了世界先进行列。

 

与海浪搏击 破解施工难题

西堠门大桥跨越金塘岛和册子岛之间的海域，海水深度大、海底地质情况复杂，西堠门水道潮水往返复流，水流流速大，且有强烈漩涡，给大桥的施工造成了很大的难度。

先导索过海就深受影响，如采用水底直接敷设法，很可能造成牵引索被礁石等缠绕或钩绊；如采用浮子法，会受到潮流及水流流速和漩涡影响，并且可用时间段短，牵引难度大，且北塔处于海中狭小的老虎山岛上，四周陡峭，水流湍急，难以搭建临时码头停靠施工船只。而且采用水底直接敷设法和浮子法两种方法必须封航，西堠门水道过往船只较多，长时间封航会造成较大影响。

不仅先导索的架设遇到难题，而且钢箱梁架设也成为考验建设者的大难题。

由于西堠门大桥跨度大，海水深，水域复杂，运梁船很难通过常规抛锚方式定位，箱梁运输难度很大。架梁期间的5月—11月正是台风影响期，吊梁难度较大。桥位地处海岛低山丘陵区，四周陡峭地形地势起伏变化较大，近塔、锚区的特殊梁段及无索区梁段受地理条件的限制跨缆吊机无法进行垂直起吊。

为此，项目创新了海洋环境特大跨径悬索桥施工控制方法，实现了施工全过程精细化控制，确保了大桥的施工精度世界级水平。

由于特大跨径悬索桥的上部结构施工始于主缆索股架设（PPWS法），对处于海洋环境中的特大跨径悬索桥，主缆温度场非线性、持续微风作用等都会严重影响索股测控精度，传统的施工控制方法难以保证主缆架设精度。

图9 三种计算模型的精度对比

项目创新采用了新的索股单元理论模型和索节段模型试验等方法，建立了单根索股线形随温度和跨度变化的理论模型及计算公式，首次提出了“动态寻点控制技术”；在基准索股精确控制的基础上，首次提出了索股与索股之间“分层距离量化定位控制技术”，突破了以往“若即若离”的定性控制方法；索股紧缆后形成主缆，主缆抗弯刚度和索鞍约束会直接影响主缆线形，首次提出了考虑主缆抗弯刚度和索鞍影响的2节点和3节点“主缆组合凝聚新单元”，确保了大桥主缆施工达到当时国内外可检索千米级悬索桥的最高精度。

就在主缆施工完成后，项目紧接着进行加劲梁吊装，梁段船运至桥位后起吊，在风大、水深、流急、海床基岩裸露的西堠门水道运梁驳船定位极为困难。于是，大桥施工引入了船舶动力定位技术，创造性地将固定于主缆的辅助缆用于提高船舶定位精度，保证了运梁驳船定位误差小于0.3米、持续时间大于40分钟，安全、优质、高效地解决了超深无覆盖层海域无法采用常规抛锚技术定位的难题。

图10 海上动力定位

此外，为了考虑台风对施工期的影响，项目还首次发现了与整体式钢箱梁不同的颤振临界风速随梁段拼装率变化的新规律，即特大跨径悬索桥加劲梁架设阶段的抗风性能明显差于成桥状态，在强风地区加劲梁的安全架设是最关键的问题；受桥址处气象条件影响，大桥全年安全有效的工作日仅72天，而加劲梁安装至少需要150天，因此只能穿越台风期架梁；根据施工阶段抗风稳定性演化新规律即颤振稳定性在中跨50%梁段拼装完成后反而下降，据此制定了完成50%梁段拼装后停止架设、安全渡过台风后继续拼梁的施工顺序。

图11 施工阶段颤振临界风速演化规律

一系列的创新举措，有效保障了西堠门大桥在施工期的质量与安全。

值得一提的是，大桥加劲梁拼装期间经历韦帕、罗莎等台风袭击，未发生任何安全事故，并于2007年底成功合龙，实现了加劲梁的安全、优质架设 。

 

可变活动风障 减少因风闭桥时间

西堠门大桥上有一项“前无古人，后无来者”的创新设计，那就是可变姿态活动风障系统。

西堠门大桥桥址处八级以上大风（桥面风速达28.4米/秒）平均每年43天，最多年份可达69天。根据现有规范规定，桥面风速超过25米/秒时必须关闭交通，这将产生严重的负面经济和社会影响。为了保障桥面行车安全、提高通行能力，必须设置风障以改善行车风环境。

为此，项目采用数值模拟和风洞试验方法，通过对15种风障方案的比选，优选出五根200×80毫米矩形断面横杆的风障，实测结果表明有效改善了桥面行车风环境，确保了桥面车辆通行因十级以上大风关闭的时间不超过8 天/年，实际通车2 年中因风关闭仅1天，不但社会效益显著，而且可增收4410 万元/年。

 

图12设置风障前后桥面风速对比

图13蜗轮蜗杆自锁驱动的活动风障

         风障设置后，颤振临界风速仍满足抗风要求，同时有效地控制了施工阶段发生过的涡振，制振效果即使按照最严格的ISO2631标准来评价，也达到了“没有不舒适”的标准。但加劲梁阻力系数高达1.79，桥梁结构静风荷载很大，百年一遇的强台风来袭时，大桥结构将无法承受。

在这基础上，项目又创造性地提出了通过风障姿态的变化来减小风荷载，即当强台风来袭时，将风障从直立状态变换为水平状态，阻力系数大幅下降至1.28，保证了结构抗风安全、显著提高了经济效益。

图14 活动风障姿态变换示意示意图

“这种可变姿态的活动风障，保障了桥面行车与结构抗风的安全性，每年减少西堠门大桥因风关闭时间35天，显著提高了经济和社会效益。”宋晖说。2011年8月6日19 时至7日05 时，强台风“梅花”袭击舟山地区，活动风障投入运营两年后，首次按预定方案变换到水平状态，使得大桥安全度过了“梅花”强台风 。

从大桥的设计，施工，运营等一系列的创新举措，也为西堠门大桥带来了众多荣誉，值得一提的是，依托项目建设，西堠门大桥新型分体式钢箱梁关键技术研究荣获了中国公路学会科学技术奖一等奖；特大跨径悬索桥新型分体式钢箱梁关键技术研究荣获浙江省科学技术奖一等奖；荣获2012年度公路交通优秀设计一等奖；荣获国际桥梁会议（IBC）2010年“古斯塔夫·林德萨尔奖”。

 

带动经济 梦想不再遥远

舟山是浙江省下辖的地级市，位于浙江省东北部，人口116.8万人，与众不同的是，它是一个完全以群岛建制的地级市，没有一寸土地在大陆上。

舟山的港湾众多，航道纵横，是中国屈指可数的天然深水良港，这在浙江这片高速发展的沃土上是一份极其宝贵的资源。可惜由于是离岛，与大陆之间的交通需要依靠原始的船运，岛与岛之间也需要依赖船运。加之舟山附近海域风高浪急，台风多发，船运也很难稳定。因此，舟山优质的港口资源一直难以得到利用。

上世纪90年代起，舟山开始规划大陆连岛工程。舟山共建成跨海大桥20余座，这些大桥横跨于各岛之间，成为海岛经济的生命线。这其中最重要的，就是连接舟山本岛与宁波的西堠门大桥。

2009年12月25日，西堠门大桥建成通车。整个工程完工后，舟山交通完全融入长江三角洲高速公路网络，有力推动了宁波—舟山港口一体化进程，终结了舟山作为一个离岛的历史。

西堠门大桥及舟山连岛工程的建成，彻底改变了舟山自然地理状态，把海岛变成了直接连通大陆的半岛，并深远、持久地影响到社会、经济、文化发展的方方面面；仅从车流量来看，十多年间，以平均每年12%的速度在增加，浙江省高速公路中车流量增幅最快的一条通道。

依着这串数字，到卷帙浩繁的历史中去回溯，你会发现，在中国的桥梁史上，很难再找出一座大桥，如此深远地影响着一个区域的政治、经济、文化风貌，更颠覆了百万人延续千年的生活方式。

西堠门大桥是舟山连岛工程的五座跨海大桥中技术要求最高的特大型跨海桥梁，是浙江省重点工程和“五大百亿”工程之一，项目通车后，舟山交通纳入长江三角洲的高速公路网络，有利于舟山港口资源的开发，有力推动了宁波—舟山港口一体化进程，在环杭州湾地区、长三角地区经济发展中发挥着重要作用。

如今，大桥打破了交通对经济产业的束缚，舟山成为各种资源快速集聚的“洼地”，为全面跨越提供了充足保障，突破了制约舟山发展的最大瓶颈。

值得一提的是，西堠门大桥更是舟山拥抱海洋经济时代不可或缺的引擎。舟山千年未有的发展机遇随之而来。据悉，2011年以来，浙江舟山群岛新区、中国(浙江)自由贸易试验区先后挂牌。从海岛时代到大桥时代再到新区时代，短短几年里，舟山实现了“三级跳”。

大桥破解了海岛地理环境制约，舟山各项社会事业得到快速发展，百姓直接受惠，民生得到极大改善。在此基础上，西堠门大桥促进了浙江经济社会协调发展、长三角地区联动发展，为浙东经济圈打造亚太地区重要国际门户作出新的贡献。此外，大桥为国防提供了陆路交通保障，对维护国家海洋权益、巩固我国东南海防具有重大意义。

由此，舟山成为“东方大港”的梦想也不再遥远。