中国桥梁建设60年:一条焊缝里的工业化进程

admin 皇家娱乐指南 2019-10-03 11:08:48 2630

【编者按】

高铁、高速路、铁道的路网完善中,桥梁是重要环节。京沪高铁公司董事长蔡庆华曾在采访中提及,京沪高铁全线有288座桥梁,桥梁比例占线路总长的80.5%。

1949年以来,中国的特大型桥梁建设大致经过三个时期。一是改革开放前,国内资源贫乏,技术和工业化水平低,造桥基本靠手工作业;二是改革开放后,特大型桥梁建设高速发展,中国逐步出现了上海杨浦大桥等在技术上位于世界前列的桥梁;三是新世纪之后,特大型桥梁从江河走向海洋,东海大桥、港珠澳大桥都将中国的造桥水平推向了新高度。

而众多桥梁背后,是社会工业化水平的全面提升。一方面,大型吊船设备、自动化和装备化工厂、材料科学及计算机科学等的成熟,都为桥梁规模变大、数量激增和精度提高带来了保障。另一方面,桥梁建设中用到的钢铁制造智能化加工设备、大型架桥设备等,也推进了修路等其他大型工程的发展。

【长报道】

港珠澳大桥通车后,总设计师孟凡超听着汽车“唰唰唰”地从桥面上开过,75毫米厚的沥青下钢结构连接得严丝合缝,“一点颠簸的声音都没有”。

这个细节,是这座世界最长跨海大桥区别于以往特大型桥梁的显著特征,意味着大桥建造精度达到了毫米级水平。孟凡超说,港珠澳大桥虽然要在伶仃洋中面对海水腐蚀、海浪拍打和台风侵袭,它仍将为其所连接的香港、珠海、澳门三地服务120年。

中国桥梁建设60年:一条焊缝里的工业化进程

2019年3月5日,航拍港珠澳大桥。图/视觉中国

在交通部公路规划设计院前总工程师彭宝华看来,港珠澳大桥的建成并非一步登天,此前,中国已有数座桥梁成为世界第一。他在笔记本上抄录了一张表格——世界已建和在建的主跨长度前10名中,斜拉桥中国占有7席,悬索桥中国占6席,拱桥中国占7席。

这些桥梁中蕴藏着中国造桥技术的不断进步,小到研发一项焊接技术,大到建设一间数万平方米的自动化工厂。它们之中的每个环节,都在考验一个国家的工业化水平。

毫米级精度

当汽车沿着32米宽、6车道的港珠澳大桥开进伶仃洋时,桥面随着视线延伸至海平线,看不到尽头,往来穿梭的游客会想到新闻里对它的描述:它是全世界最长、建造难度最高的跨海大桥,拥有世界最深、最长的海底沉管隧道。

但作为港珠澳大桥的总设计师,中交公路规划设计院有限公司(下称“公规院”)副总经理孟凡超更为那些难以被看到的特征为傲:全长55公里的大桥上,桥面沥青与钢箱梁主体紧紧贴合,构成桥梁主体的钢箱梁之间接合平整,没有凸起和落差。这让路面变得一马平川,没有一处褶皱,司机和乘客不会感受到突如其来的颠簸——这种颠簸即使是在路面良好的高速公路上也偶有发生。

如果是雨天,这份平滑更为直观。桥面自中轴线至两侧有2%的倾斜角度,雨水落下后不作停留,直接滑进伶仃洋,桥面没有水坑,车辆驶过不会溅起大片水花。

孟凡超说,这是桥梁建设中“四化”的结果,即大型化、工厂化、标准化、装配化。相比以往的工人手工式建造,“四化”后的桥梁部件精度更高。

在之前的手工作业时代,桥梁所用的钢板焊接成形后从高温降到常温往往发生变形。为了保持钢板平整,工人要拿着火焰枪、戴着面罩,在高温日晒的环境下对零部件反复进行火工矫正,一直持续到桥面合龙。即便如此,桥面接口处还是会有小到几毫米、大至二三厘米的落差。汽车开上去,就会有颠簸感。

为了解决这个问题,港珠澳大桥招投标前,孟凡超就要求投标企业必须符合“四化”要求,钢结构生产过程不能使用工人手工作业,要实现自动化焊接。不少想要投标的企业提出了反对意见,甚至公规院内部也有不同声音。“他们说全中国的制造都达不到这个水平,你这叫贪大图洋,不符合中国国情。”

但反对的人不知道,孟凡超考虑更多的是安全。55公里的大桥建在伶仃洋上,一年有超过200天的6级大风,汽车和风浪会不断对桥上的细小瑕疵施压。“这就像不断弯折、拉直一根有瑕疵的铁丝,如果这个问题不解决,大桥120年的规划使用寿命会大大缩减。”孟凡超说。

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2016年6月,澳门,港珠澳大桥全景图。图/视觉中国

河北省秦皇岛市中铁山桥集团有限公司(下称“中铁山桥”)一直想要参与港珠澳大桥的招投标。2010年收到招标要求后,他们将公司的焊接专家徐向军派往辽宁开原,与一家机械臂生产商接洽。

彼时,孟凡超要求的自动化焊接已在汽车制造等高造价、精细化的生产中应用,但不曾用到桥梁钢箱梁的生产中,所以没有符合要求的机械臂设备。为了调试出这样的设备,徐向军和同事在这家生产商的实验室中不断做焊接试验、调试设备参数、提出修改意见。徐向军记得,被他们拿来练手的小型钢板逐步变成中型,最后变成与实物相等的大型。这些钢板加起来有一千多片,合计45吨。

在生产厂家待了大半年,徐向军终于得到了符合钢板焊接标准的机械臂,中铁山桥也采购了11套自动化设备,每套设备上有两到三条机械臂。在新建成的厂房中,新招的几个计算机系毕业生在控制台输入指令,遥控这些动作精准的机械手臂。徐向军说,“以前是一人养一只羊,现在是一人放一群羊。”

一穷二白的自主建设

港珠澳大桥向北1450公里,是江苏省南京市。这里屹立着中国人第一座自主建设的特大型桥梁——南京长江大桥,全长4588米、跨江648米。

尽管建成通车半个世纪,大桥的桥头堡上还留有明显的时代特色:四座桥头堡顶各挂三面红旗,分别代表社会主义建设总路线、大跃进和人民公社,紧挨桥头堡的是工农兵雕塑,扬臂迈步,手握毛主席语录。

在南京长江大桥建成之前,6300公里的长江上只有一座武汉长江大桥,是上世纪50年代由苏联援建的。“上世纪60年代初,中苏交恶,苏联撤走对南京长江大桥的援助,国内又是‘文革’,生产建设一片混乱,我们太需要一个自主完成的大工程来振奋人心。”南京长江大桥设计组组长、78岁的常荣五说。

南京长江大桥的规划始于1956年,对于一穷二白的中国来说,当时各方面条件都艰难。常荣五记得,那时国内只有一台计算机,由北京的中科院计算所研制成功,为了处理大桥设计过程中的大量计算,国务院特批设计组使用。

计算机差不多有一台钢琴大小,上面几排按键,输入数字就能得到结果。“手工计算一两个月的数据,用计算机半小时就能完成。”常荣五说,计算结果不是存在硬盘中的数据,而是成打的纸卷,上面打满小孔。

设计组派出一名颇受器重的年轻工程师乘火车往返于北京与南京,专门处理计算问题。每隔一段时间,他就把成卷的计算结果装进行李箱,带回南京。常荣五和同事们在一个充当办公场地的大食堂里展开纸卷,抄下结果。

中国桥梁建设60年:一条焊缝里的工业化进程

常荣五在南京长江大桥留影。受访者供图

建设工地上也是一幅与现在全然不同的景象。据《炎黄春秋》2018年刊载的回忆文章,兴建南京长江大桥时,成千上万的工人和普通南京市民一起在工地上干活:高校的学生们离开课堂,用钢凿、小锤和砂轮为桥面铸件上的浮雕抛光,或在工人指导下用铁丝将钢筋骨架的交叉处绑紧;工人们则将钢筋拧弯变成钩子,作为扳手的替代品交给学生。

“之所以要把钢筋拧成扳手,是因为当时的钢材太过紧张,扳手不够用;钢材的质量也不好,一个扳手用三五天就废了,久而久之就直接改用钢筋了。”常荣五说,建设南京长江大桥时是计划经济,钢材捉襟见肘,为了拿到几十吨钢材修建桥头堡,他特意去上海拜访了一家钢厂,好说歹说,对方才卖了他这个人情。

即便如此,大桥的设计、建设仍是几经波折,前后持续10年。就在1968年大桥即将建好时,常荣五接到紧急任务:设计组须在一个月内设计并施工完成桥头堡。

他硬着头皮接下任务,全组41人一个月没离开工地,围着桌子画图纸、商量方案,困了就勉强靠在椅子上小憩。他们提出了数个设计方案,上报国务院后,三面红旗和工农兵雕塑的方案被确定下来。

1968年年底,南京长江大桥的铁路桥、公路桥先后竣工通车,南京城内万人空巷,连树木、围墙上也挤满了围观的居民,欢呼震天。作为中国人自主设计、建设的第一座跨长江大桥,南京长江大桥被称为“争气桥”。当时,新华社将它与氢弹试验成功相提并论,小学语文课本也收录了《南京长江大桥》一文。

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6月10日,南京长江大桥桥头堡。新京报记者 庞礴 摄

通车前夜,常荣五如释重负,和另一名工程师在桥下的棚子里开了一瓶酒,喝得酩酊大醉。通车后的第二天,他爬上大桥检查,从刚刚干透的桥头堡混凝土墙面上发现200多条大大小小的裂缝。他对每条裂缝的位置、长度、深度一一记录,和工人们开始了修补工作。

2018年,南京已有5座跨长江大桥,另外4座桥梁与最初的南京长江大桥一起分担着昼夜不息的车流。78岁的常荣五步履蹒跚,不再是当年那个大桥落成时站在桥头踌躇满志的青年——最近一两年,他已无法负担长距离行走,不再到江边重新拜会这位50年前的旧相识。

从大江到大海

今年80岁的彭宝华满头银发,仍保留着工程师的风度——短袖白衬衫上并无褶皱,戴一副细金属边的眼镜。上世纪60年代,他从重庆交通学院桥梁隧道工程专业毕业。当年,国内鲜有特大型桥梁项目,所以直到上世纪70年代,他才第一次参与跨江大桥的规划和建设——四川省的泸州长江大桥。

彼时,桥梁不再是政治象征,而是经济发展的必要通路。《四川法制报》2009年刊载的回忆文章称,泸州长江大桥兴建时正赶上上世纪70年代末经济复苏,泸州长江两岸卡车、汽车有时排出两三公里,司机们要带足过夜的干粮连夜排队才能渡江。

“所以南京长江大桥从规划到设计超过10年,但是泸州长江大桥的建设时间要尽可能缩短。”彭宝华说。

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2019年3月8日,南京长江大桥。图/视觉中国

横在彭宝华面前的一大难题是长江的水文状况。泸州位于长江上游,江宽水急,一年两次汛期,春来雪融有桃花汛,夏季降雨有夏汛,一年之内水位相差超过10米。遇上汛期,施工就只能暂停,他记得曾有工人作业时失足落江,来不及呼救便被江流卷走。

为了保证汛期仍能施工,彭宝华和同事们决定借鉴九江长江大桥发明的技术“双壁钢围堰”。简单来说,双壁钢围堰就像一个插进水底的无底杯子,底部密封后抽走中间的水,工人便能在钢壁围成的柱形空间内建造桥墩。

泸州长江大桥的双壁钢围堰直径50米,高20米。为了建造这个巨型设备,施工队伍在工地岸边建起工厂,将大量钢材运到现场焊接。彭宝华记得,那时国家仍实行计划经济,钢材需要审批,如此大规模地用钢可以说“十分奢侈”。为保证工期,泸州市委也曾提出“人民大桥人民建,人民为桥做贡献”的口号,号召市民到工地义务劳动,数个省内的企业参与钢板焊接,并提供了船只、汽车援助。

“双臂钢围堰入水是在一个涨潮的早上。”近40年后,彭宝华回忆起那个场景,在吊船、运输船的拖拽下,它被缓缓拉入水中,底部穿过鹅卵石和河泥,直接触到了河底的岩层。

有了双壁钢围堰的保障,汛期时,泸州长江大桥仍可施工。1982年,大桥建设5年后通车,全长1252.5米,成为长江上最长的公路大桥。这是四川省内第一次使用双壁钢围堰技术,项目获得国家技术二等奖。

彭宝华说,从上世纪八九十年代起,特大型桥梁在长江、珠江等大江上建起,双壁钢围堰在深水作业场地广泛使用。他建过的最大的钢围堰直径270米,卡车可以在宽阔如道路的壁沿上运送材料,通行无碍。

“但是随着经济发展,在大江大河上建大桥已经不能满足我们的需求了,桥梁建设必须从江河走向海洋。”上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司总工程师邵长宇说。

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6月11日,上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司总工程师邵长宇。他主持设计了东海大桥。新京报记者 庞礴 摄

21世纪初,上海希望尽快建成与新加坡比肩的国际型深水港,在这样的契机下,上海市政总院主持设计了东海大桥。那是一座连接上海本土和小洋山岛的跨海大桥,是中国第一座真正意义上的跨海大桥,线路全长32.5公里,主桥全长25.3公里。

与江河上的大桥相比,东海大桥面临着新的技术问题。“海上建桥风大浪大,很小的风力就可能引起桥面的剧烈振动,钢索也存在风振问题,甚至碰撞形成损伤,我们叫‘风雨振’。”邵长宇说,设计东海大桥时,不仅要详细计算风力对桥面的影响,还要开展风洞试验研究,最后加装了稳定板、风嘴等改变空气流向的装置,对钢索排布进行了精密安排,预留减震措施的空间。

2005年8月5日,工程进度完成九成时,12级的台风麦莎从太平洋上逼近上海,海浪高达6米。晴天时肉眼可见的作业平台被大雨和风浪吞没,工人们从施工小岛撤往市区,吊船也停进了避风港里。三天两夜之后,台风远离上海,东海大桥安然无恙。

考验全社会的工业化水平

1949年至今,中国大江大海上的特大型桥梁越建越多,桥梁技术上的空白也被逐一填补。

在邵长宇看来,建造大型桥梁是系统性工程,每个环节的缺陷都会造成短板效应。钢材和混凝土等原材料的质量,计算规划时使用的分析软件和实验设备,建造过程中能调用的吊船等大型设备,都在考验全社会的工业化水平。

常荣五对中国大桥的贡献之一,是桥面铺设的沥青。上世纪80年代,他在广东负责修建肇庆市西江大桥,桥梁首次采用全钢架结构。但夏天时,钢结构桥面的温度高达八九十摄氏度,沥青会因此软化,汽车刹车,轮胎就卷起沥青,露出下面的钢板;冬天时,沥青又会因低温变硬、开裂,路面坑坑洼洼。

常荣五说,进口沥青符合要求,但成本太高,他们只好自己研发。他带着工人在从肇庆到广州的一段废弃道路上开辟出实验场,用掺入不同成分的沥青铺路,然后开着车,加速,刹车,查看不同强度的摩擦下沥青的完好程度。“当时就发现,特立尼达和多巴哥的橡胶有效。把这些天然橡胶打碎,加入沥青里,质量就会提高很多。”

四年后的春天,西江大桥桥面用这种沥青铺装完成,通车当天,满载的卡车依次从桥上通过。常荣五在车辆全数通过后查看,路面上的沥青连轮胎印都没留下。

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东海大桥监控室。受访者供图

修建泸州长江大桥时,彭宝华需要进行风力实验,预估台风的影响。当时,全国尚没有专供桥梁使用的风洞实验室,四川安县服务于导弹制造的军工厂为他们提供了帮助。彭宝华记得,他和工作人员把桥梁模型运进县城,深夜里,全县停电以保障军工厂内有充足的电力模拟12级台风,之后根据模型的受损情况对桥梁设计进行调整。

“光计算是不够的,必须模拟实际的恶劣气候才能保证桥梁的安全性。”彭宝华说。到了上世纪80年代,同济大学建成了专为土木工程服务的风洞实验室,风力实验再次更新换代。

然而,超大型桥梁建设不断提出新要求,这意味着技术的现代化必须持续跟进。

2009年,港珠澳大桥前期勘探时,中国还没有大型勘探船,只好雇佣珠海附近的渔船货船,绑上钻机来替代。30多公里长的桥梁路线上,十几艘渔船货船以两三公里的间距依次排开,到晚上就一起点灯,相互呼应。孟凡超说,这些船上绑着两三吨重的钻机,勘探人员要带着它们在海上工作两三个月,不能上岸。

“但是伶仃洋里往来粤港澳的船只很多,有万吨货轮,也有载客的快艇、渔船等。入夜之后的海上非常黑,停在海中的勘探船很容易被撞上。”孟凡超说,那段时间里,他的手机24小时开机,夜里也不敢静音,生怕出事。

事故几次擦肩而过。最让人后怕的一次是,一艘从珠海开往香港的快艇,没有避开勘探船的钢锚缆,螺旋桨绞了上去。“那艘快艇上有200多人,就像鱼被网拦住一样,稍有差池就鱼死网破了。”孟凡超说,后来工人砍断钢缆排除了危险,所幸双方人员都没事。但半夜接到这样的电话,他冒了一身冷汗。

港珠澳大桥建设完成后,孟凡超在中交集团发起了对综合勘探船的研发制造——这种万吨级的勘探船可以服务于长时间的海上作业,供上百名工程师、工人工作生活半年。

在孟凡超看来,勘探船不过是桥梁建设的缩影,未来随着更多超级跨海通道的建设,对装备和技术将提出更高的要求,而桥梁的工业化也将随之走向更高的水平。

(感谢石雪飞、赵达斌、黄少文、林洁对本文采访提供的帮助)

【亲历者说】

港珠澳大桥后,我将为家乡造桥

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孟凡超,港珠澳大桥总设计师。新京报记者 庞礴 摄

港珠澳大桥建成的半年后,我所在的单位,中交公路规划设计院有限公司又中标一个新项目:四川省遂宁市涪江六桥。相比于港珠澳大桥的1000多亿造价和55公里的总长度,这座桥的规模并不大,全长约1900米,造价十几亿元。但它对我来说有特殊的意义——遂宁是我的家乡。

我小的时候,涪江上只有一座桥,两车道,中间画着双黄线,像现在的三级公路一样,桥两边有一米多的人行道。桥是上世纪六七十年代建的,已经不记得哪年,只记得当时我还是个孩子,很好奇,去过两次工地现场。现在看来都是小场面了,当时却觉得不可思议,工人们推着车把石砖运到江边,石料是四川产的红砂岩,切成了三四十厘米见方的砖,然后手工砌成圆柱形的桥墩。

当时的生活条件很艰苦,为了建桥,河滩里扎上了工棚,工人们吃喝、休息都在工棚里,旁边就是作业现场,有人绑钢筋,有人搅拌混凝土。工地里,工人们肩扛手提,有人穿着潜水服进行基础建造,下去几十分钟再浮起来。他们都很有自豪感,但从现在看,这些施工方式太危险了,也会损害健康。

涪江上的那座旧桥,修建花了四年时间。我读中学时,有时会骑着自行车或者步行过桥,到对岸的灵泉寺去玩。但那座桥桥面比较窄,不能满足交通需求,后来就被拆掉了,之后在这座桥的原址上有了一座新桥,接下来的几十年里,又陆续有桥建起来,现在涪江上已经有了5座跨江桥。

港珠澳大桥建成后,遂宁的领导希望在家乡建设一座新桥,作为遂宁的标志性建筑物,并进行了公开招标。我也希望有机会为家乡做点事情,于是我供职的中交公路规划设计院有限公司开始准备相关的招投标工作。

我希望这座新桥有美感,区别于其他几座平直、没有特色的桥梁,因此采用了分离式的双幅设计——桥梁从中轴线分开,像两条平行的飘带线,就显得更瘦、更轻盈;桥塔是对称的组合三角形结构,像一对高耸的翅膀,寓意是雄鹰展翅。

建造上的技术就不必说了。现在的桥梁基础建造早就不用人力了,一根七八十吨的钢管桩,用浮吊吊着,通过振动机械设备,几十米的桩就插下去了,效率高,风险低。桥梁主体也不用现场搅拌、浇筑混凝土,我们可以在工厂里预制,再通过铁路运过来。

我们的方案做得很用心,去年中标,今年10月就会开工。独特的设计,标准化工厂化的施工——新桥的规模并不大,但我希望它在这几座桥中鹤立鸡群。

【同题问答】

中国我想对你说

邵长宇(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司总工程师)

从改革开放之初,我国修建第一座跨度超过400米的南浦大桥开始,奠定了中国人自主建设的信心和决心,标志着中国桥梁建设迈上超越国际的宏伟征程。依托国家的繁荣昌盛,今天的中国桥梁建设水平已经屹立于世界前沿。

新京报记者 庞礴 江苏南京、上海、北京报道

编辑 滑璇 校对 刘越 范锦春

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