这样的斜拉桥厉害了!4178吨的塔索在空中"拧麻花"

　　(柳州白沙大桥夜景)

　　作者 |须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　柳江在柳州城里拐了一个大弯穿过，使柳州成为了一个风景秀美的城市，同时也让柳州的桥举世闻名。

　　柳州到底有多少座桥?恐怕连柳州人自己也说不清楚。这些大桥不但数量众多，而且各具特色，构成了柳州特色的风景线。今天要讲的白沙大桥，就是柳州市区的第20座跨江大桥。

　　这可不是一座寻常的桥，它采用了设计和施工难度都极高的“空间异形扭曲反对称全漂浮体系”，是目前全球高度最高、跨度最大、用钢量最多的“反对称结构斜拉桥”，先后获得国家级授权专利发明16项。

　　那么，这种“反对称结构斜拉桥”，到底高端在哪里呢?

　　(一)最令工程师头疼的“空间异形”

　　柳州白沙大桥起于柳北区跃进路，东至河东区高新三路，于2015年5月1日正式开工建设，2018年9月28日建成通车。桥梁全长1920米，塔高106米，主桥宽度38米，长度400米，为双向6车道，设计时速50公里，道路等级为城市主干道Ⅰ级。

　　索塔是斜拉桥最为重要的结构，整座大桥的重量都要通过斜拉索传递到索塔上。换句话说，索塔肩负着整个大桥的安危。白沙大桥又被称为“柳州之门”，这一称呼正是来自它圆弧形的索塔。

　　索塔主塔高106.2米，塔轴线由椭圆曲线及圆曲线构成，两侧支柱向相反的两个方向呈反对称弯曲，使得索塔无论从哪个方向看过去都是圆弧形的，像是一座大门。这样的奇特结构，在工程上被称作“空间异形扭曲反对称结构”。

　　(从侧面看过去的白沙大桥仍然是一道圆弧)

　　在工程设计中，无论是建造建筑还是修建道路桥梁，最讲求的就是“横平竖直”，这样可以将结构的受力进行最大限度的简化。即使有特殊形状，也最好维持在同一个平面内，因为，二维结构的受力复杂度要远远低于三维结构，可以极大地降低设计难度。

　　(普通斜拉桥的平面索塔)

　　可是，白沙大桥的索塔却偏偏要反其道而行之。它的整个结构不在任何一个平面内，是纯粹的三维结构。

　　这使得索塔的内部在任何一个方向上都存在应力，这些应力在不同的方向上相互叠加，最后的总应力在数值和方向上都与平面结构迥然不同。这样的结构设计起来，难度与普通的平面索塔相比可以说是天上地下。

　　因此，在白沙大桥的设计中，涉及到了大量的结构计算与反复的论证。

　　另外，光有设计还不够，复杂空间结构的施工是一个更大的问题。

　　(二)4178吨重的钢结构索塔如何精准吊运拼接?

　　相比起普通的平面结构索塔，白沙大桥的扭曲索塔对精度控制的要求极高，数据量也远超普通索塔，光靠人工来进行施工控制是远远不够的。

　　因此，在大桥索塔的修建中始终使用BIM技术来指导施工，包括拟合主塔设计轴线，确定实际安装坐标，利用信息技术进行实时监控量测，以提高安装定位精度，保证钢塔在吊装过程中的结构安全。

　　索塔采用单箱七室结构矩形截面钢箱型结构，共由27节总重量达4178吨的钢节段组成。其中最大节段重293.4吨，约等于70头成年非洲象的重量。

　　这些钢节段都要在BIM技术的辅助下准确无误地吊装、拼接到指定的位置，随着施工的逐步进行，索塔的重量和受力也在逐渐发生改变，这种受力的改变也会造成索塔的变形，进而影响施工精度。因此，钢索塔施工过程中的力学验算也要通过BIM模型来完成。

　　(力学模型转换)

　　为了精准地进行索塔拼接施工，在主塔进行施工之前，人们预先搭建了一个比索塔更高的吊装支架。

　　高位吊装支架高110米，采用深水桩基承台+钢管支架+大跨度移动横梁的组合结构。桩基采用钢管混凝土制成，移动横梁则为工厂特制桁架。简单来说，就是相当于一座巨大的脚手架，然后把一座简易工厂搬了进来。

　　桥塔的施工和拼接整个就位于这座工厂当中，精度大大提高。由于索塔的施工难度大、工期长，桥面板的施工没有像传统工艺那样等到索塔建好之后再以索塔为依托进行吊装，而是与索塔同时施工，先建在临时的桥墩上，待索塔施工完成后，再撤掉临时的桥墩，代之以斜拉索。

　　这样做，可以在保障质量的同时最大限度地缩短工期。

　　(在“小工厂”内施工的索塔)

　　(三)扭转的大桥与扭转的构件，这简直就是一个“大麻花”

　　白沙大桥的索塔不仅在空间上进行了扭转，而且为了满足造型和受力需求，自身也发生了扭转。柳州人因此把白沙大桥亲切地称作“大麻花”。

　　不过，这种扭曲的外型给构件的加工带来了极大的困难。与以往所有类型的钢塔不同，白沙大桥钢塔的内外壁板均处于扭曲状态，钢塔自身没有任何一个外壁板或内壁板为平面，因此，弯扭板单元制作是钢塔制作的基础，也是钢塔制作的难点和重点。

　　整个钢塔分为许多个节段，每个节段又分为顶板、底板、腹板、水平板、竖板、角板、横隔板、水平隔板、锚箱等板单元，其中锚箱单元通过两块腹板与弯扭塔壁相连。因此，采取有效的工艺措施，确保锚箱腹板与弯扭壁板的贴合是保证锚箱整体焊接质量和整体安装角度的关键。

　　钢塔中心线位于空间曲线上，每一个钢塔节段均为弯扭形态，因此，钢塔节段线形的控制和钢塔节段横断面扭曲的控制是钢塔整体线形控制的关键。

　　(钢塔塔柱的三维示意图)

　　根据施工现场的吊运能力，钢塔被划分为27个节段，每个节段都是弯扭节段，内外壁板也是弯扭形状。

　　为了把原本平直的钢板加工成合适的“弯曲加翘曲”的形状，施工团队采用压弯和热矫正相配合的工艺方法进行制作。其中，压弯还分为横向和斜向的压弯，通过横向压弯来实现板单元的“弯”，通过斜向的压弯来实现板单元的“扭”。为了保证板单元的弯扭趋势，每块板单元还需要多次压弯。

　　对于弯扭幅度大的板单元除了横隔板处的横向压弯外，还需要在2道横隔板压弯线之间增加1道横向压弯，相对应增加斜向压弯。板单元的弯扭不同，压弯方向及角度均不相同。可以说，如果没有精密的构件压弯，也就没有严丝合缝的扭转桥塔。

　　(弯曲的结构单元及其拼装)

　　结构单元的拼装也有学问。

　　扭转桥塔的中心线位于空间曲线上，中心线位置处没有钢塔实体构件，因此，要对中心线控制进行转移控制。通过对钢塔底板纵基线的控制来代替钢塔中心线，控制好钢塔中心线的“弯”，而通过对底板标高的控制，控制好钢塔横断面的“扭”。

　　有了这些看似扭曲，但实则严丝合缝的弯曲构件，白沙大桥的扭曲索塔才能确保安全。

　　(桥塔结构示意图)

　　结语

　　柳州白沙大桥的钢塔，是中国首个弯扭造型的钢塔，结构复杂，制作难度大。白沙大桥的综合性造桥技术和功法在国内处于首创地位，在国际上的同类桥梁施工中也属一流。

　　它的建成，相当于证实了弯扭外形钢塔制作的可行性，也积累了弯扭钢结构的制作经验，在主塔吊装过程中拓展了国内复杂钢桥建设信息化施工技术的应用，为日后同类桥梁建设提供了借鉴和技术参照。