2015级生产实习小结之七:守护东海明珠——西堠门大桥管养实习小结

“天亮的早白天长 不用闹钟我也不会赖床

冲凉 柠檬沐浴香 裸露的皮肤 汗毛茁壮生长

花露水的味道是种安心的清凉

蚊虫的叮咬 挠了又挠的瘙痒

泄气的大地 苦等着风

稠腻的晌午 人们寻找遮蔽形色匆匆

伴随着Summer's Gone的beat,我们小组来到了舟山跨海大桥有限公司的大桥管理处开始了为期二十天的生产实习,这次实习的主题是西堠门大桥的管养,主要是过对西堠门大桥第一线的管理养护工作的学习与调研来了解西堠门大桥的基本结构与科技创新等实际情况以及跨海大桥后期养护工作如何进行。

西堠门大桥简介

西堠门大桥位于浙江省舟山市,是长达50公里舟山大陆连岛工程中的重要组成部分和控制工程。大桥起于册子岛桃夭门岭,于门头山经老虎山跨越西堠门水道,止于金塘岛上雄鹅嘴,接金塘大桥,全长5.452公里,其中西堠门大桥主桥长2.588公里,册子岛侧接线长2.864公里。按四车道高速公路标准建设,设计荷载为公路-Ⅰ级,计算行车速度80公里/小时,路基宽度24.5m。

西堠门大桥主桥为主跨1650米的两跨连续钢加劲梁悬索桥,主缆分跨为30.311+578+1650+485+24.428m,北边跨及中跨为悬吊结构。塔高211m,主缆矢高为165m,主缆矢跨比为1/10。加劲梁高跨比为1/471,宽跨比为1/45.8。主缆横桥向中心间距为31.4m,吊索顺桥向标准间距为18m。

西堠门大桥科技创新

西堠门大桥施工水域水深、流急、浪高,地质条件复杂,风环境恶劣,来往船只频繁。面对诸多技术挑战,必须依靠科技创新,才能圆满完成工程建设任务。在西堠门大桥的建设过程中开展了几十项新技术、新工法、新工艺、新材料、新设备的专题研究,显著提升了特大型跨海桥梁的设计和施工技术水平,优化了结构设计,提高了工程质量,加快了工程进度,控制了工程造价,确保了工程安全。这里介绍一些关键技术创新。

创新一:大跨径桥梁的抗风性能研究

空气动力稳定性是大跨径悬索桥设计的主要考虑因素。西堠门大桥位于受台风影响频繁的宽阔海面,营运阶段颤振检验风速要求达到78.74米/秒,是世界上抗风要求最高的桥梁之一。结构抗风是否满足要求是该桥能否建设的控制性因素。为此进行了一系列试验研究,将西堠门大桥钢箱梁设计成中央开槽的双箱分体式截面,并通过采取多项抗风措施,成功地解决了大跨径悬索桥抗风稳定性问题,该桥颤振临界风速达到88米/秒以上。西堠门大桥建成后,成为世界第一座采用中央开槽钢箱梁(分体式钢箱梁)的悬索桥,是以中央开槽技术解决大跨径悬索桥颤振稳定性问题的首次实践。

同时,进行了特大跨径悬索桥施工阶段抗风性能的研究,为西堠门大桥穿越台风期安装钢箱梁提供了技术保障。架梁期间受到两次超强台风影响,大桥桥面实测最大风力达到13级,大桥安然无恙。很荣幸,我们同济直接参与了西堠门大桥风洞试验的研究。

西堠门大桥风洞试验模型

创新二:分体式钢箱梁设计及安装

分体式钢箱梁各部分构件的传力途经、力学特点与整体式钢箱梁有较大的差别,综合考虑架设及运行阶段的受力要求,西堠门大桥在分体箱梁之间设置了横向连接箱梁与横向连接工字梁,并通过1∶2节段模型试验对该构造方案进行了验证。这种新型分体式钢箱梁在制造过程中特别加强了焊接变形研究和组装技术研究,运用了一系列新技术、新工艺,保证了钢箱梁制造精度。

西堠门大桥桥面横断面模型

西堠门大桥跨越的西堠门水道水流复杂,有强烈旋涡,加之海底岩石裸露,运梁驳船难以抛锚定位,钢箱梁架设施工中创新地研发了相关设备,采用自航驳船单船直接动力定位等方法完成了钢箱梁海上吊装。针对西堠门大桥结构特点及北边跨复杂的地形、水文、气候条件,北边跨钢箱梁架设时采用了固定支架+移动支架+缆载吊机单机两次荡移并结合航道拓宽的施工技术,成功地解决了边跨区钢箱梁安装难题。

钢箱梁模型

钢箱梁运输安装演示模型

创新三:直升机牵引悬索桥先导索过海新技术

由于西堠门水道水深流急,海底无覆盖层且为重要航道,传统的各种先导索过海方法在西堠门大桥较难实施,为此进行了直升机牵引先导索过海新技术研究,创新地提出了放索系统与直升机分离的模式,操控方便又安全,为选用经济合理的直升机机型提供了依据。研制了功能完善的放索系统;通过飞行试验,总结出了在不利风况条件下直升机飞行与放索系统的协调控制技术。

直升机从大桥南塔牵引先导索过海

创新四:实现特大跨径悬索桥主缆1770兆帕高强度钢丝的国产化

提高主缆强度级别可以达到减轻主缆自重的目的,塔、锚的规模亦可相应地减小。西堠门大桥在国内特大跨径悬索桥中首次采用1770兆帕高强度平行钢丝制作主缆,节约了工程投资,降低了施工难度。依托本工程开展技术攻关,通过冶炼、轧制、拉丝等环节的研发、创新,在国内实现了这一高强度钢丝的规模化生产,突破了国外的垄断。主缆架设首次采用水平成圈、放索工艺,提高了架设质量和速度。

创新五:大直径高强度吊索钢丝绳研发

西堠门大桥吊索钢丝绳直径大(88毫米)、强度等级高(1960兆帕)、破断拉力高(5884kN)、要能满足抗疲劳破坏2×106次性能要求,其标准之高在国内外尚无先例。经过两年多的研究,研发了高精度的捻制控制技术及股间注塑技术,成功地解决了钢丝绳高强度与高韧性之前的矛盾,攻克了设计、制造的一系列技术难关。

创新六:钢箱梁电弧喷涂层纳米改性封闭剂

西堠门大桥钢箱梁处在海洋环境中,容易遭受海洋盐雾大气的腐蚀,因此对长效防腐措施的研究尤为重要。通过将纳米技术与封闭涂料相结合,成功研制了新型电弧喷涂层纳米改性环氧封闭剂。纳米环氧封闭剂能真正渗透进喷铝涂层内部,基本上填充了铝涂层内部的孔隙,起到了良好的物理封孔作用。

创新七:900吨轮胎搬运机双机联动

为了解决1575吨重的60米预制箱梁的移运和装船,研制开发了目前国内最大跨度、最大吨位的两机同步联动的900吨轮胎式搬运机,通过采用GPS/RTK定位技术和无线传输技术,实现一人操纵两机拾吊一片巨型箱梁,可以搬运至梁场内任何位置或运至出运码头装船,为国内首创的搬运机联合作业形式,极大地提高了箱梁生产效率。

西堠门大桥巡检养护

巡检养护的目标是通过制定科学合理的巡检养护方案,确保桥梁结构不因提前老化失去其功能或对公众安全造成威胁,以最低的成本达到合格的养护标准,使其在设计使用年限内始终保持优良的服务水平。而且在这个大前提下还需遵守各种养护原则,大致有四点:一是考虑比例效应,力求以最低成本完成全桥巡检;二是对于容易磨损或者老化的部位或构件,应增加相应的巡检频率;三是养护反应与完成时间应够短;四是对于每一种日常养护或者特殊维修都应有针对性的工艺流程。

经常巡检

经常巡检养护是指桥梁管养人员针对桥梁运用状态的日常性巡检和养护工作。经常巡检包括日常巡视和针对结构技术状况的日常巡检。

跟随巡逻车上桥巡视

日常巡视是对影响桥梁行车安全隐患的检查。主要是对桥面行道范围内各种遗落抛洒物、障碍物、保护区域范围作业、结构明显异常、电器设备运营状况进行巡视,及时发现不安全因素和设备故障。日常巡视分为日巡视和夜巡视,日巡视的主要内容是:巡视桥面系结构物、交通安全设施和机电设施是否完好;检查路段及桥头的沉陷;巡视中央分隔带等设施的状况;检查桥面、路面是否存在污染、积水、结冰、抛洒物、遗落物等;检查养护作业进展情况和安全状况。夜巡视的主要内容是:巡视标志、标线、轮廓标等处的反光情况和完好情况;大桥照明系统及航空(海)指示灯是否正常工作。

日常巡检主要指对桥面设施、上部结构、下部结构及附属结构物的技术状况进行的巡检,对应着中国规范的经常检查和国外的浅表性巡检或日常巡检。对于主桥,日常巡视主要包括加劲梁、缆索系统、索塔、锚碇、索鞍、桥面清洁及交通清障、桥面铺装、排水设施、防撞护栏、风障、检修道扶手、伸缩缝、支座和阻尼器。

日常巡视侧重于对影响交通运行的安全隐患进行排查,日常巡检关注桥梁结构状况,其主要工作为收集桥梁运营现状的信息和出现劣化的结构物的部位及程度等,以提供依据给专业工程师进行判断是否需要进行结构物的维护维修或专项巡检,同时能及时发现解决影响交通的状况并及时处理。

定期巡检

定期巡检是指按照规定周期为评定西堠门大桥使用功能,制定管理养护计划提供基本数据,对桥梁主体结构及其附属结构物的技术状况进行的全面检查,为浙江舟山跨海大桥监测系统搜集结构技术状况的动态数据。定期巡检主要包括材料巡检和结构巡检。

材料巡检针对材料本身的劣化,对于西堠门大桥而言主要包括混凝土材料结构(含预应力混凝土结构)和钢材料结构。

这里简单介绍混凝土材料巡视的主要内容。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的,主要有结构性裂缝与非结构性裂缝。非结构性裂缝包括收缩裂缝、温度裂缝、施工缝裂纹、钢筋锈胀裂缝。一般认为,如果裂缝宽度小于0.15mm就不会造成混凝土结构的劣化,因此裂缝标记的标准为0.15mm。如果由于裂缝开展使得钢筋外露,则应在混凝土上标出裂缝的范围。如果不能标记,则应精确拍照以追踪裂缝的发展。某些情况下,裂缝只有在一定的背景下才能显现,因此很难拍照,如果此类裂缝对结构有重大影响,则应永久标记标出裂缝轮廓然后再拍照。除了裂缝,混凝土巡检内容还包括龟裂、蜂窝、麻面、剥落、掉角、缺损、空洞、暴筋锈蚀、泛碱、滞水和水迹。

桥塔内记录的混凝土裂缝

锚室内记录的混凝土裂缝

结构巡检主要根据结构类型、受理特征、材料类型和外部环境的不同进行区分,西堠门大桥主要包括主缆、吊索、加劲梁、索塔、锚碇、桥墩、桥台、基础、支座。

这里介绍一下主缆的检查内容。主缆需要检查的主要包括内力和线性。主缆内力检查指索股锚跨张力进行测试,测试方法可采用频率法。锚跨张力测试应选择在夜间温度相对恒定且无车或车辆较少的情况下进行。每年在最高温和最低温时对索股锚跨张力各测试一次。定期巡检所测试的锚跨张力结果可与成桥恒载状态监控值以及交工验收荷载试验空载测试值进行比对,判断其变化情况。在结构长期运营过程中,由于内因(如主缆松弛、索力不均、索夹滑移等)和外因(恒载重量的改变,如桥面铺装厚度增加、附属设施增加等),会导致主缆线性的变化。主缆线性是悬索桥结构受力是否的重要判据,主缆线性的变化进而改变加劲梁线性,对桥梁使用功能和美观造成影响,因此主缆线性的定期测量至关重要。主缆线性测量应选择在风力较小(三级风或以下)、温度相对恒定且无车的时段进行,施测时在桥位已有控制点上架设高精度全站仪,测量结果须进行大气折光和地球曲率两差改正。线性测量结果经温度修正后与成桥荷载状态监控值或交工验收荷载试验空载值进行比对,判断其变化情况。

主缆检查通道及防护栏

材料巡检具有共性,即同种材料的结构单元其材料巡检内容基本相同。采用相同材料形成的结构,将会包括此种材料巡检的工作内容。例如混凝土索塔和混凝土箱梁均包含混凝土材料(含预应力混凝土结构)结构巡检的内容,钢箱梁和桥面系部分分钢结构也将都包含材料巡检的工作内容。

结构巡检将分别对西堠门大桥的结构形式有针对性地进行分析,对其中所涉及的材料巡检部分则不再重复阐述。

应急巡检

对整个西堠门大桥来说,在整个桥梁的运营管理期内将可能遭遇阵风、大雪及冰冻、大雾、雷电、地震、车撞、船撞、火灾、特殊车辆过桥和人为破坏等特殊事件。

特殊事件不但影响桥梁正常运营,而且可能危及行车安全,对人的生命构成严重威胁;甚至威胁桥梁结构局部或者整体的安全。因此,必须根据特殊事件的特点,制定针对性的应对策略,包括预防的措施,以及交通管制、事件后特殊巡检、养护等措施等。应急巡检对应着中国规范中的特殊检查之应急检查和国外的特殊巡检。

对于此类特殊事件的管理,将首先对其考虑设计预警分级,提出基本防御措施,然后在预警解除后对结构提出针对性巡检要求和工作内容。

专项巡检

西堠门大桥专项巡检是根据经常巡检和定期巡检的结果,对需要进一步判明损坏原因、缺损程度或使用能力的桥梁部位或部件,有针对性地进行专门的现场试验检测、验算与分析,查明病害原因、破损程度、承载能力、抗灾能力,确定桥梁技术状况的工作,其中包括几何测量、试验检测、验算分析等内容。对应着中国规范的特殊检查之专门检查和国外的重点巡检。

根据《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)的要求,专门巡检需要委托有相应资质和能力的单位承担。西堠门大桥的专项巡检工作,应委托具有交通运输部颁发的公路工程试验检测综合甲级或公路工程桥隧工程专项的工程试验检测资质的专业检测单位进行实施。因此,专项巡检设计到的巡检内容,可作为西堠门大桥养护管理技术人员了解专项巡检承担单位工作内容的技术资料

专项巡检是一项技术要求比较高的工作,必须由专业技术人员进行。

《公路缆索体系结构桥梁养护技术规范》调研会

浙江舟山跨海大桥监测系统

西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中规模最大的特大型跨海桥梁之一,设计使用年限为100年,其设计、建造均具有相当大的难度,投资规模宏大。桥梁建成后随着投入运营时间的推移,大桥各构件将面临受到各种损伤及内力状态的改变,相应桥梁的刚度和承载能力就会出现不同程度的衰减,这些损伤和内力状态的改变,如果能够被及时获知并且进行适当的调整、维护、维修就不会危机桥梁结构的运营安全,否则将可能由于损伤的累计导致灾难性事故。特别的是舟山连岛工程西堠门大桥所处地理位置为我国东海海域,在建成后将不可避免地要受到海洋高氯离子环境、海浪、台风等恶劣条件的侵袭,因此,更应该对整个工程加强监测,并根据监测系统的维护计划对系统进行全方位的巡检及维护、修缮以确保其经济、安全地运营。监测系统的目标是力求避免灾难性事故的发生,实时掌控大桥的安全使用状态,辅助大桥管理维护。项目建设单位委托设计实施单位利用迅猛发展的现代传感测试、信号分析、远程智能控制、计算机、结构计算分析等当代新设备和新技术为舟山大陆连岛工程西堠门大桥设计构建一个技术先进、实用经济、易于管理、开放兼容、符合本桥运营环境和结构特殊性的桥梁结构检测管理系统。

监控中心

构建系统的目的是:为大桥运营期科学有效的养护运营管理提供一个数据管理平台,有效的掌控运营期大桥的结构使用状态;为桥梁管理者提供西堠门大桥的巡检养护手册以指导并规范其养护行为,提高桥梁运营的检测、养护和管理规范化标准化水平;建立损伤及内力状态管理机制,储存系统的基准状态,使用过程中管理者可追踪损伤及内力状态演变过程,推测其预期的发展;大桥管理者利用本系统的数据制定高效、经济、合理的运营管养措施,有效降低大桥运营成本,最大限度延长桥梁的使用年限。

舟山大陆连岛工程西堠门大桥监测管理系统研发和实施项目主要分三大块:自动化采集、传输、控制子系统;电子化人工巡检子系统;基于两者之上的损伤识别及综合安全评估子系统;附属的数据库和用户界面子系统。

小组成员参观并学习健康监测系统

自动化采集、传输、控制子系统主要监测西堠门大桥上部结构状态的变化,由此重点评测桥梁的结构内力状态的改变;电子化人工巡检子系统主要针对舟山大陆连岛工程西堠门全桥养管人员可以到达的结构部位,编制巡检养护手册,使用者据此检查和记录结构构件的表面损伤,制定运营期的构件检测计划。然后后“从内而外,由表及里“得推断结构的安全使用状态和构件是否需要进行维修和维护,辅助大桥经济、高效地制定管理决策。

气象站(左上)健康监测系统(右上)

VTS船舶交通服务监视系统(左下)停车报警系统(右下)

针对本桥监测环境及结构特点系统设计,注重经济性和实用性,力求用少而精的监测仪器获取运营环境场及代表性、关键性构件及截面的力学行为特性。浙江舟山跨海大桥(西堠门大桥)监测系统自动化传感测试子系统分为两大监测项:一是荷载源,是指重要的运营环境荷载(环境温度、湿度、风速风向、地震、雨量、交通);二是结构响应,包括桥梁整体空间变位(包括主梁变位、支座位移、伸缩缝位移等),桥梁关键代表性控制截面的应变及温度(主梁断面应变及温度),桥梁结构整体动力及振动特性监测(振动响应监控、结构频率和振型),吊索索力。

根据大桥结构特点情况,西堠门大桥监测点具体见下表:

巡检养护综合管理子系统主要业务流程如下图所示:

西堠门大桥主缆除湿系统设计

西堠门大桥在当时采用的是最为先进的主缆防腐技术水平,但由于主缆施工过程中受雨水侵袭和镀锌层破坏,钢丝抑或已经腐蚀,以及运营使用过程中受静、动载作用的影响,可能出现防护腻子的老化(尤其索夹处)和外护层的破损,空气中的水蒸气和雨水侵入,使得主缆中的钢丝因受潮而产生锈蚀,由此也将影响主缆的密闭性。

从国外打开检查多座悬索桥主缆缠丝发现,主缆表面均产生了较为严重的锈蚀,且锈蚀发生在主缆表面与缠绕钢丝接触的部位和一些索股的内层,主要分布在主缆侧面和底部。传统的主缆腐蚀防护技术只能减缓腐蚀速度,不能彻底组织腐蚀。日本从1994年开始进行主缆除湿系统的研究,通过罗茨鼓风机将干燥空气送入主缆,降低主缆内空气相对湿度,有效阻止了主缆钢丝腐蚀。在欧洲和亚洲一些国家,包括中国的润扬公路长江大桥均安装了主缆除湿系统,但是西堠门大桥至今仍然使用的是传统方法,所以在此基础上,通过查阅文献资料与学习国外工程实例,我们小组为西堠门大桥设计了一种主缆除湿系统,如下图:

主缆除湿系统的目的是降低主缆内部的相对湿度,使主缆处于一个相对封闭、干燥的环境中,避免主缆内的钢丝锈蚀。主缆除湿系统通过送气管和送气罩将干空气注入主缆钢丝空隙,干空气在主缆空隙内流动,降低主缆空隙内的空气湿度,最后干空气变成湿空气从排气罩排除。主缆护套层将干燥的主缆内部环境与外界大气隔离,保持主缆内干燥状态。主缆除湿系统工作流程为:粗过滤空气→精过滤处理→除湿机除湿→高压风机送风→冷却→送气管输气→送气罩送气→主缆内除湿→排气罩排气。

实习感想

和其他实习小组不同,在这里,我们看不见各种工法在桥梁建设中的应用,我们也无法感受到真正的施工第一线的忙碌,我们也无法去体会工人兄弟的辛苦与汗水。但是,通过从7月14号到8月2号这段时间的工作和学习,我们却能感受到一座建成桥梁背后,仍有一群人,默默无闻,坚守着无数个日日夜夜,为大桥的安全保驾护航。灯光永远不会熄灭的监控中心,每天桥上来来往往的巡逻车,主缆上小的不起眼的维护人员,还有我们看不见的各种安全巡护员。在来往车辆和人们感叹西堠门大桥的雄伟壮观之时,我们可以体会到他们那种发自内心的喜悦。很荣幸,守护东海明珠的这份荣誉,我们,体会过!

最后的最后,还是要感谢浙江舟山跨海大桥有限公司给我们提供实习以生活上的各种安排,感谢指导并且帮助过我们的前辈和师长,您们辛苦了!

小组成员在西堠门大桥桥塔塔顶的合影

实习时间:2018年7月14日—2018年8月2日

实习项目:西堠门大桥管养

实习单位:浙江舟山跨海大桥有限公司

小组成员:汪塨学 管宏阳 胡晓 谭格爽 陈杨凯

校外指导老师:颜永先

校内指导老师:姜旭

文字:汪塨学

图片:汪塨学

编辑:汪塨学

审核:畅卫杰

资料来源:《公路缆索体系结构桥梁养护技术规范》西堠门大桥——调研大纲;《西堠门大桥巡检养护手册》;舟山跨海大桥展览馆;《悬索桥主缆通风除湿系统的设计》。

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