毫厘间“搭积木”
——访常泰长江大桥设计代表周子明
□本报记者 钱立群
历经5年的连续奋战，常泰长江大桥终于精准合龙，实现全线贯通。作为世界上首座集高速公路、城际铁路和普通公路三种方式于一体的过江通道，这座大桥在建设的过程中遇到了哪些困难，设计者和建设者们是如何攻坚克难，在浩渺的江面上奋力书写勇于突破和开拓创新传奇故事的？近日，中铁大桥勘测设计院集团有限公司常泰长江大桥设计代表周子明接受了本报专访。
记者：我们都知道，与传统桥梁不同，常泰长江大桥是世界最大跨度公铁两用斜拉桥，结构新颖，规模宏大，很多问题都是第一次遇到，而科学、精确的设计至关重要。请您谈谈大桥的设计理念是什么？
周子明：如你所说，由于常泰长江大桥特殊的工程需求、复杂的建设条件，工程建设面临的技术挑战是空前的。如仅依靠现有的技术、材料和装备，虽然可行，但不可避免在造价、材料、人员、设备等方面需加大投入，存在不少弊端。
新一代的工程建设注重的是品质优先、效率优化、绿色环保，这需要新技术、新材料、新装备的加持，更需要设计理念的创新。因此，大桥在设计初期就以问题为导向，针对性地进行创新和统筹，力求更好地实现环境保护、减小能源消耗、提高效率和质量、提升使用者的体验，以实现绿色建造、提升服务品质和智能建造的目标，我们的设计工作就是在这一理念指引下开展的。
具体来说，我们一是采用了更高效的结构实现绿色建造。通过将高速公路、普通公路和城际铁路三种交通功能集成一体过江，一座桥实现三座桥的功能，节约了宝贵的通道资源和岸线资源；将城际铁路、普通公路同层按上下游分开布置，缩减了上下行匝道的行车距离，减少碳排放，降低了工程规模和对土地资源的占用，也方便了普通公路和铁路的日常维养以及对突发事件的快速处理；通过结构体系和关键结构方案的创新，减少了工程规模和建材消耗，降低了施工风险，同时还缩短了施工工期。
二是提升桥梁综合服务品质。主航道桥和专用航道桥都采用了一跨跨越定线制航道，最大限度保障了通航安全，大桥建设时，船舶正常通行；公铁同层按上下游分开布置，同时考虑了铁路及公路用户的通视需求，视野开阔、光照充足，两者限界互不干涉。为了解决铁路行车灯光炫目的问题，还在断面中部设置了一套公铁隔离设施，不仅防眩，还可防撞、防抛。
记者：在施工过程中，具体遇到了哪些工程难点？
周子明：大桥主航道桥和专用航道桥跨度位居同类型桥梁世界第一，建设规模巨大，设计理念先进，材料、结构、体系创新复杂，建设标准要求高，因此，施工难度极大。具体表现在：
一是超大深水沉井基础施工难度大。大桥施工水域水文地质条件复杂，河床易冲刷、地层不均匀且起伏较大，所以首次采用了减自重减冲刷台阶型沉井结构，以降低下切水流对河床的冲刷，减小沉井下沉深度。但钢沉井尺寸规模大、焊接及拼装精度高，出坞浮运、定位着床、（下转02版）
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（上接01版）取土下沉以及结构安全控制难度大，对信息化监控监测以及智能化装备研发提出了较高需求。
二是超高空间四塔肢索塔施工难度大。大桥主塔高达350米，中下塔柱采用空间四塔肢钻石型混凝土结构，上塔柱采用钢-混组合核芯混凝土索塔锚固结构，塔柱钢-混结合段施工技术复杂，上塔柱钢塔节段安装以及中塔柱钢筋部品吊装安全风险高，塔柱竖直度不容易控制。超高主塔对混凝土流变性能和泵送性能的要求较高，对混凝土抗裂、养护以及准清水混凝土外观控制要求高。
三是超长连续钢桁梁及钢桁拱桥施工难度大。主梁采用箱桁组合桁架结构，并首次采用温度自适应体系，施工控制难度大。专用航道桥采用钢桁拱结构，钢桁梁吊重大、悬臂长，合龙工况和体系转换多，很难控制架设结构安全、线形控制和合龙精度。另外，钢桁拱桥结构受力复杂，悬臂施工期有倒下来的风险。
四是超长斜拉索及CFRP水平拉索施工难度大。大桥为荷载非对称结构，上下游斜拉索分别采用2100Mpa和2000Mpa直径7毫米高强度耐久型平行钢丝斜拉索，斜拉索达633米。为降低主塔内力和塔底反力，减少梁端位移，主航道桥采用温度自适应塔梁纵向约束体系，研发碳纤维复合材料CFRP水平索，确保结构体系升降温时不增加结构附加内力。超长斜拉索及CFRP水平拉索张拉要求高，索力监测难度大，梁端安装空间受到限制，施工控制难度大、风险高。
记者：对于层出不穷的施工难点，咱们的团队是如何克服的？
周子明：我们采用了 “四个世界首创”技术，破解了桥梁建设遇到的不少难题。
一是首创温度自适应塔梁纵向约束体系，就是用数根碳纤维复合材料拉索连接主梁跨中与主塔下横梁，让塔梁之间约束起来。同时，利用碳纤维复合材料的温度特性，自动适应结构体系升降温的变形，既不增加结构附加内力，又改变了纵向荷载的传力路径，相比半漂浮体系，可有效降低主塔内力和梁端位移30%以上。
二是首创台阶型减冲刷减自重沉井基础。如果把两座主塔比作双臂，撑起大桥的高度和跨度，那么底部的沉井就是双脚，让桥塔得以稳稳地立于水中。大桥主航道桥桥塔基础沉井是目前世界在建最大水中钢沉井基础。沉井既要承担主跨超千米的桥梁荷载，又要承担自身重量，如果采用上下同宽的常规沉井基础，那么，沉井底口需下沉至水下92米才能保证结构安全，这无疑加大了下沉施工的风险，而减冲刷减自重台阶型沉井基础就能解决这一问题。就是通过“上小下大”的结构让沉井“降高减重”，减轻自身重量的同时，又限制了水流对沉井周边河床土体的冲蚀，减少冲刷深度，将沉井底标高提至水下65米。
三是首创“钢-混”混合结构空间钻石型桥塔。一般而言，斜拉桥多采用平面桥塔设计方案，而常泰长江大桥主塔的中、下塔柱则设计成了四塔肢、正八边形截面的形式。主塔自身竖向压力和由斜拉索传递而来的“压力”将由塔肢传递至桥塔底部基础。因此，主塔截面越大，受力越稳。可一旦截面超出特定尺度又会增大混凝土开裂风险，影响桥塔乃至桥梁安全。为此，通过缩小单个塔肢截面尺寸，在保证主塔承载能力的基础上，降低塔肢在施工期和运营期的开裂风险，同时提高了钢梁整体刚度和行车舒适性，美化主塔空间立体造型。
四是首创“钢箱-核芯混凝土”组合索塔锚固结构，就是利用钢和混凝土两种不同材料的力学性能差异，上塔柱的设计是一个中空、由钢材质包裹形成的八边形钢箱，中间嵌着矩形混凝土芯。从材料角度而言，混凝土抗压性能良好，但抵抗弯矩产生的拉应力能力较弱，而钢结构抗拉、压性能均较好。通过充分发挥两种材料的优势，将混凝土布置在上塔柱中性轴附近、钢结构布置在远离中性轴的外围，这种结构构造可充分利用钢与混凝土两种不同材料的力学性能差异，实现索塔锚固体系局部受力和整体受力的协调统一，大大提升桥梁整体景观效果。
记者：建好这个世界“超级工程”，每个环节都不容许有一点闪失，在此过程中是如何做好对精度的追求与把控的？
周子明：建桥就像搭积木，把不同类型的杆件逐个、逐层拼接起来，看似简单的操作，实则需要严格把控精度。就主航道桥两侧钢桁拱桥的拼装来说，需要分步进行。拱肋是弧形的，施工合龙时，在拱肋与桥面设置了800多根不同长度、不同类型的杆件，杆杆相连，一丝偏差都会影响下一步拼装。为此，我们每拼接一段，就要对整个梁的长度、轴线角度进行测控，以确保达到毫米级合龙精度。
目前，智能化技术已经成功运用至预制构件流水线生产、杆件制造、总拼、涂装、检测等各环节。以往做预制构件时，主要靠人工作业把钢筋一根根绑起来，质量监控和安装精度的把控都是难点。如今，我们通过部品钢筋智能建造技术，形成集装配化设计、自动化下料、工厂化制作、快速化安装、智能化控制于一体的部品钢筋智能制造自动化生产线，实现钢筋部品成型精度毫米级控制，加强源头把控、流程监督，提高了桥塔钢筋施工质量，保障了工程品质。
对于超大型沉井，将其平稳下沉是一个巨大的挑战。常泰长江大桥桥址处以黏土与砂土为主，沉井下沉区域分布着不同厚度的硬塑粉质黏土。这类地层土质硬、黏性强，给水下施工取土增加不少难度。要保证沉井“姿态”平稳、可视可控，建设团队淘汰了以往人工测量泥面高程的传统工艺，取而代之的是在沉井主体结构内部安装300多个监控元器件，利用智能传感器自动采集沉井姿态和结构受力数据。同时，还研发了适用于粉质黏土层的电动双头铰刀、气水混合冲射破土设备、水下机械臂取土机器人等专用装备，实现取土深度的精确控制及沿预设路径自动化取土行走作业。为了实时监测桥梁施工情况，我们的建设团队还建立了基于BIM的数字孪生施工场景，可以实时跟进施工进展，全方位对施工控制数据进行分析和预警，并根据算法提供下一步最优的解决方案，来控制现场的精度。