10月24日，港珠澳大橋正式通車。這座圓夢橋、同心橋、自信橋、復興橋的建設背後，傾注與凝聚著無數建設者的心血與奉獻。
其中，西南交通大學的多位教授，在過去成百上千個日夜裡，帶領團隊攻堅克難，精確工程測量、提高橋面性能、創新橋樁設計，保證港珠澳大橋120年使用壽命，幫助國家節省至少2億元建造成本，為港珠澳大橋又快又穩的建設與開通輸送著天府智慧與四川力量。
↑東方IC資料圖
提高鋼橋面抗疲勞性
保證港珠澳大橋120年使用壽命
“港珠澳大橋鋼橋部分採用的是正交異性鋼橋面板箱梁結構。相比其他結構形式，它具有整體結構輕、承載能力強、可工廠化和裝配化施工的優點。但其結構構件及其受力特性複雜，抗疲勞性能相對較弱，在使用過程中的疲勞開裂問題突出，而這也是國內外鋼橋行業的共同難題。”
西南交大土木工程學院教授卜一之告訴成都商報記者，為了解決港珠澳大橋面臨的技術困難，提高大橋使用壽命，有關部門在2010年10月找到學院。“自那時起，我和張清華教授就開始著手進行研究，直到14年6月圓滿完成課題研究任務。”
卜一之介紹道，他和團隊首先進行了典型問題的梳理工作，收集國內外正交異性鋼橋面板結構橋樑的種種問題，再有的放矢地進行理論分析，提出可能的優化方案，隨後再在試驗中驗證。
“通過調研，我們發現正交異性鋼橋面板的頂板和U形肋連接焊縫比較容易開裂，於是提出設想，只要將這些薄弱環節控制得當，那抗疲勞性應該就能得到較大的改善與提升。”
在3年多里，卜一之帶領團隊進行了大大小小20多組試驗。其中小模型試驗在四川建築職業技術學院實驗室進行，大模型試驗在西南交大結構工程實驗室進行。整體來說，是先根據理論分析優化正交異性鋼橋面板的抗疲勞性能，再在上面進行抗疲勞測試，看它的抗疲勞性能是否達到了我們的要求”。這樣的一個模型測試，一般要花1到2個月。因為“要看試驗樣品什麼時候開裂，什麼時候完全破壞直到失去承載能力”，時刻記錄數據，所以整個團隊要24小時連軸轉。
根據一次又一次試驗獲得的數據，卜一之及團隊不斷改良橋樑面板設計技術，調整正交異性鋼橋面板的頂板和U肋等設計參數，使面板受力及抗疲勞性能更加合理。“在最後大模型測試中，經過我們優化後的正交異性鋼橋面板承受了400多萬次的荷載測試。完全達到了設計要求。”
儘管最終助力港珠澳大橋達到了120年的使用壽命，但卜一之卻表示，“這並不代表正交異性橋面板鋼箱梁的抗疲勞性技術難關得到了完全攻克，未來，我們還將進行進一步探索。”
↑西南交大承擔的港珠澳大橋正交異性橋面板疲勞性能試驗
創新橋樁受力計算方法
幫助國家節省至少2億元建造成本
無論是橋樑、橋墩還是上面行駛的車輛，所有的壓力最終都要由大橋底部的橋樁來承載。作為跨海大橋，在港珠澳大橋的建設中，橋樁要如何在茫茫無依的海面上穩穩“紮根”呢？
作為港珠澳大橋建造中鋼管複合樁試驗專題研究的帶頭人，西南交通大學土木工程學院的馬建林教授表示，“我們首先利用機械，將直徑2.2米、長度40至70米的空心鋼管樁打進海中，穿過海水、海床以及淤泥層，到達鋼管樁可以扎穩的更深的底部。隨後，我們再用專門的器械，挖空鋼管樁中的淤泥土直至設計深度，再往其中澆灌鋼筋混泥土，形成一個個最深將近百米的鋼管混凝土複合樁，為大橋承重。”
馬建林教授告訴成都商報記者，如何讓橋樁在海里穩穩“紮根”，僅僅是挑戰之一。“另一個難題，是在深海那種複雜的受力條件下，我們要研究鋼管樁和鋼筋混泥土樁之間的受力機理與協同工作性能，推演出一個可靠的計算理論與設計方法。在此之前，由於相關計算理論的缺失，大家在設計鋼管複合樁時，只計算鋼筋混泥土樁的承受力，而忽視了鋼管樁的承受力，造成了橋樁材料製作使用的浪費。”
為了攻克技術難題，在長達兩年多的時間裡，馬建林教授帶領團隊，馬不停蹄地進行了現場調研、資料收集、室內外試驗、理論計算、數值模擬等一系列複雜工作，不斷地進行橋樁承載力、沉降特性的測試，最終結合數學、力學等學科原理，推演出兩者共同受力的計算公式，一方面達到技術的創新，另一方面節省了成本。
馬建林教授自豪地表示，“如果按照以前的設計工藝和施工方法，僅橋樁一項，大橋的建設起碼還要多花2億元。”
↑西南交大承擔的港珠澳大橋抗風性能試驗
打散風漩渦
試驗中抗住超200公里/小時超強颱風
“我們知道港珠澳大橋所處的海域，每年都會遭受颱風侵襲，這對大橋的抗風性能提出了很高的要求，這也是我們在一年多的時間裡多次試驗改進的方面。”回想起七年前為港珠澳大橋做風洞試驗時，西南交通大學土木學院廖海黎教授依然歷歷在目。
在2011年—2012年，西南交大廖海黎、李明水教授團隊承擔了港珠澳大橋所有通航孔橋和鋼箱梁非通航孔橋的抗風性能研究工作。該團隊利用一年多時間在該校世界最大的邊界層風洞裡進行了反覆試驗，為港珠澳大橋的抗風設計和風致振動抑制措施提供了科學依據。
風形成的有節奏漩渦是造成橋樑晃動的原因，要消除風對港珠澳大橋的這種破壞性作用就必須在外形上去掉能形成風漩渦的結構。廖海黎教授表示，風洞試驗分為兩大塊內容進行，其一是針對在遭遇超強颱風的情況下大橋如何抗住，不發生破壞；其二是針對該海域常年會面對的4、5級風速，如何改進設計，防止橋面震動影響車輛通行。“我們通過大量、多次的試驗，通過對大橋加導流板和對橋塔迎風面進行改造，將風漩渦引開、打散，使其無法形成節奏，從而消解了風的破壞性作用。”
2018年9月，港珠澳大橋成功抵禦了強颱風“山竹”的侵襲，顯示出強大的抗風能力。對於大橋的抗風性能，廖海黎教授顯得很有信心。“這座大橋的設計抗風能力是16級，但其實我們在試驗中最大的風力已經超過了200公里/小時，試驗室裡的多次試驗充分檢驗了大橋的抗風能力。”
退休教授再上陣
讓工程測量精確到分毫
“分毫不差，是我在港珠澳大橋擔任顧問期間一直堅持的標準。”西南交大地球科學與環境工程學院退休教師許提多，在2010年12月一2016年12月受聘為港珠澳大橋工程測量特聘專家，參與制定了港珠澳大橋測量控制總體方案並具體參與和指導實施，並參與制定港珠澳大橋工程測量規程和規範。
“港珠澳大橋距離長，海域情況複雜，以前我們在陸地上的測量方法並不適用。所以這次採取了衛星實時定位進行測量的方法，先建立高精度的整體測量控制網，再分具體項目和實施情況進行局部精準測量，精度滿足施工需要。”
許提多告訴記者， 港珠澳大橋沉管隧道是目前世界上唯一的深埋沉管隧道，也是每個標準沉管長180米，寬37.95米，高11.4米，重約80000噸，是迄今為止世界最大的沉管。
“這麼大的沉管要在海底實現安裝，難度是相當大的。對測量精度提出了很高的要求，因為你的測量精度直接關係到施工安裝的成功與否。而根據我們的測量，隧道接頭的安裝誤差只有2個多毫米，算是極大的成功。”許提多對港珠澳大橋的橋樑、海底沉管隧道、人工島等工程測量方案均提出了合理化建議。
成都商報記者 李春雨 沈興超
閱讀更多 成都商報 的文章
