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項海帆院士:對中國橋梁建設的反思
2020-05-15 來源:中國公路 

  項海帆,著名橋梁及結構工程專家,中國工程院院士,曾擔任國際橋梁及結構工程協會(IABSE)副主席。

  中國橋梁界追求“之最”和“第一”的反思

  前不久,交通運輸部副部長馮正霖談橋梁耐久和安全的文章,以及去年在港珠澳大橋建設項目管理研討會上的講話,都強調建百年大橋,保障設計壽命,也提到如何理解創新和如何看待“世界第一”等話題,這引起了我的思考。

  國際同行的疑問

  2009年5月,在上海參加了“當代大橋”國際研討會后,部分國外代表參觀了中國各地的新建大橋。在他們離滬回國時,國際橋協的領導曾問我:“為什么在中國長江內河航道上要建造那么多千米級的懸索橋和斜拉橋?為什么一些老橋跨度不大,而附近的新橋的跨度卻增大了好幾倍?你們長江航道的通航要求是如何定的?”

  我一時語塞,不知如何回答才好,只能說:“中國橋梁界喜歡追求跨度的超越,一些官員也鼓勵這樣做,這可能是一個誤區。”

  在國外,除了跨海工程要考慮大跨度懸索橋外,其余的內河航道如歐洲的萊茵河、多瑙河、塞納河、易北河等,除下游河口段以外,航道等級約在1000噸至5000噸級之間,因而大都采用斜拉橋、拱橋或鋼箱梁橋方案。

  英國的塞佛恩(Severn)橋和福思(Forth)橋都是在上世紀六七十年代建造的跨越海灣的懸索橋,但在以后修建Severn二橋和Forth二橋時則都改用了更經濟的分孔通航的三塔斜拉橋。

  在2011年國際橋協的倫敦會議上,專題介紹了新建的蘇格蘭福思二橋,該橋位于1964年建成的跨度1006米的福思一橋邊上,是一座三塔2×650米的斜拉橋,以滿足日益增加的交通需求,而沒有再建一座懸索橋。

  斜拉橋是大跨橋梁主流

  斜拉橋的跨越能力現已突破了千米,甚至還有增大的潛力,并且由于其剛度、抗風性能、拉索可更換、施工簡便、無錨碇等方面的優越性,在近年來的國際跨海工程方案競賽中,斜拉橋方案都優于懸索橋而被采用。如希臘Rion-Antirion橋,水深65米,通航18萬噸海輪,又位于強震區,最后采用法國設計的多塔多跨560米斜拉橋。

  在2011年國際橋協IABSE倫敦會議上,丹麥COWI公司的L.Hauge先生所作的關于“大跨度橋梁的發展趨勢”的大會主旨報告中也談到了斜拉橋和懸索橋的比較。他認為,在1200米以下的跨度斜拉橋占優,超過1200米的跨度,斜拉橋將受到塔高和長索的限制,錨碇條件有利的懸索橋將會占優。

  日本Nagai教授的報告認為,自錨式斜拉橋跨度的極限在1200到1400米之間。如采用部分地錨斜拉橋,極限跨度還可延伸至1600米,當懸索橋的錨碇只能設在水中,則斜拉橋方案仍有競爭力。

  根據同濟大學肖汝誠等人所著《纜索承重橋梁各種體系比較》一文的結論:當錨碇條件為岸上巖石時,跨度超過900米的懸索橋就會占優;對于岸上軟土錨碇,則跨度1100米以上才對斜拉橋占優;而對于淺水錨碇,懸索橋的競爭力將大大降低(初步估算在1600米以上才會占優)。可見,三方面的研究結論是基本一致的。

  Hauge先生在主旨報告中還提到COWI公司正在規劃中的德國和丹麥之間費曼恩海峽工程的最新優化成果。他認為,采用三塔雙跨724米的斜拉橋方案就能滿足26萬噸航道的要求,與1600米跨度的懸索橋方案相比,由于施工期短和對環境影響小,是更有吸引力的選擇。

  由此可見,即使對于30萬噸級的海峽通道,采用分孔通航的跨度800米的多塔斜拉橋將比合孔通航的超大跨度深水錨碇懸索橋更為經濟合理,也對隧道方案更有競爭力。這也就是我在《對臺灣海峽工程橋梁方案的初步思考》一文中的觀點。

  可以說,斜拉橋已成為當代大跨度橋梁的主流橋型。據國外雜志報導,泰國湄南河、越南湄公河和印度孟買的新建大橋也都是斜拉橋,它在200至1200米的跨度范圍都有競爭力。而且,可靈活采用獨塔、雙塔和多塔的布置方式以跨越300米直至幾公里長的大江和海峽。多孔斜拉橋采用分孔通航的方式,避免了為設置陸上錨碇而被迫加大懸索橋跨度的傳統做法,是更為經濟合理的方案。

  我國內河橋梁跨徑合理性存疑

  根據我多年來參加方案設計評審會的經驗,中國大橋追求跨度第一之風原因是多方面的,但通航凈寬標準的不合理,可能是很重要的誘因,它迎合了橋梁界追求跨度的沖動,使橋下凈高和凈寬不成比例,并為失去比例美的大跨度懸索橋得以通過評審而實施提供了“依據”,但卻完全背離了國際常規,因而引起了外國同行的質疑。

  按照橋梁概念設計的基本原則,為滿足通航要求設置通航孔橋是首要的考慮。一般來說,內河航道應根據水深條件進行分級,定級后的通航標準應列入規范。在同一等級的航道上建橋,通航孔的大小應相差不大,只是按不同的河勢情況有小的調整,如果相鄰橋梁的通航孔跨度相差懸殊,反而會使人費解。

  例如,從南京到武漢的長江中游,為內河一級航道,通航5000噸內河輪船。1967年建成的公鐵兩用南京長江大橋采用多跨160米的雙層桁架方案,基本滿足了凈高24米凈寬150米的通航要求。武漢以上至宜昌的長江上游河段降為3000噸的二級航道,通航要求為18米凈高和120米凈寬,同樣是公鐵兩用的武漢長江大橋采用多跨128米的雙層桁架橋也是合理的選擇。

  改革開放以來,我國開始興建大量跨越長江的公路大橋,適當增大跨度以減少橋墩和船撞的風險是必要的。但由于凈高要求不變,南京以上直至宜昌的通航孔跨度應限制在500米以內為宜,以控制橋下通航凈空的寬高比在適當范圍內。一般上下行船只應分孔通航,如因航道不穩定可增設一些通航孔,也不宜強制要求上下行船只必須合孔通航,甚至要求一跨過江,從而造成嚴重的比例失調。分孔還是合孔通航應由橋梁的經濟性來確定。

  南京以下的長江下游航道因水深條件和海輪進入內河轉駁貨物的需要提高為5萬噸級,通航凈高為50米。江陰大橋以下至長江口河段則考慮長江口航道疏浚后的水深,預留了10萬噸級的需要,通航凈高加大到60米。

  現在看來,除江陰長江大橋因地形特殊必須采用一跨過江的懸索橋外,其余的如潤揚大橋和正在建設中的泰州長江大橋都可以采用更為經濟合理的斜拉橋方案。

  據說,首次采用三塔懸索橋體系構想的智利Chachao橋,COWI公司也已改用更經濟的三塔千米級的斜拉橋,以避免中塔處主纜的抗滑難題,并保證大橋的剛度和抗疲勞強度等基本性能。

  綜上所述,除了中國沿海跨海連島工程中為避免深水基礎的施工難度和高昂造價需要考慮超大跨度的懸索橋方案外,其他內河(長江各支流和珠江流域)均應優先考慮斜拉橋方案。山區地形和地質條件有利時,更應優先考慮經濟性更好的拱橋,慎用甚至不用價格昂貴、施工復雜、主纜又不能更換的懸索橋。

  希望橋梁設計部門在確定通航要求時要實事求是,切忌任意夸大標準,從而造成追求跨度“第一”的不良后果。

  讓設計回歸創新和美學

  美國國家工程院院士、著名橋梁專家鄧文中先生曾在《橋梁跨徑——世界紀錄的競賽》一文中,回顧了各類橋梁跨徑的發展過程,也理解橋梁工程師對設計破紀錄橋梁的追求和渴望。

  鄧先生認為:“我們現在還遠未達到懸索橋最大跨徑的極限,然而我們不能為創造紀錄而不考慮經濟因素。”他最后說:“與其考慮如何設計更大跨度的橋梁,不如將更多精力和創造力放在如何設計出品質更高、造型更漂亮的橋梁上。”因為,“跨度的世界紀錄并不是技術領先的標志”。我十分贊同他的意見。

  馮正霖副部長的話更應當引起我國橋梁工程師,特別是橋梁設計大師和總工程師們的深思。要正確理解概念設計的精髓,對過去所設計的橋梁進行認真的反思,走出盲目追求“之最”和“第一”的誤區,讓設計回歸到對“創新、質量和美學”的追求上來,同時還要重視橋梁的經濟性和耐久性。

  以上是我的一點想法,提出來供大家討論和思考。

  中國橋梁造價反思

  中國橋梁的造價從表面上看比歐美國家低,于是造成一種錯覺,似乎中國橋梁的經濟性是最好的。然而,仔細思考后感到事實并非如此。

  01

  由于中國的人工低廉,許多橋梁工地都聚集了大量農民工,使用相對落后的裝備建橋。雖然也能建成大橋,甚至是破紀錄的大橋,但中國橋梁的設計標準偏低,施工質量存在隱患,這也是造成中國橋梁容易早期劣化和不耐久的最重要原因。此外,中國橋梁的施工標準偏低,定額又偏低,業主還想盡量壓低標價,使承建的施工企業沒有利潤空間來進行研發、更新先進裝備,只能使用和添置低效的落后設備,以人海戰術來完成。而且,還通過層層分包以降低資質來節約成本,最終損害的還是工程質量和耐久性。因此,雖然中國橋梁的一次性投資較低,但如果使用壽命很短,日后的養護和加固費用又十分巨大,從全壽命的觀點看,仍是很不經濟的。

  02

  中國的大橋建設,常常由業主先選擇設計單位,然后由一家做方案比選,通過專家咨詢會議討論決定最終實施方案。在方案的經濟性比較中常會發現一些違反常理和人為的因素,甚至為了迎合業主的意愿而完全不顧經濟性,使不經濟的、怪異的、難以施工的不合理方案通過虛假的經濟指標和不科學的“理由”得以實施。最后,只得再追加預算,使工程經濟性原則形同虛設。

  03

  橋梁經濟性的重要指標是每平方米橋面的材料用量,在國際設計競賽中都十分重視這一體現競爭力和技術水平高低的指標。由于中國在材料工業方面的差距,大橋的材料等級是相對落后的。例如鋼箱梁的設計,歐美各國主要采用HPS460(歐洲)、HPS480(美國)、BHS500(日本)的高性能鋼材,甚至在局部的高應力區還用少量HPS560、HPS690,以減少厚板,簡化構造和制造的難度。中國都是采用唯一的一種S345鋼材,而且不同厚度鋼板的焊接工藝又十分不便,也是很不經濟的。在混凝土結構方面,中國大都用C50級,而國外的高性能HPC80已商品化。由此,中國的混凝土橋梁往往顯得相對粗笨和肥胖,而國外的混凝土橋梁就纖細輕巧得多(外形尺寸較小,壁厚也較薄),使混凝土用量大大減少,存在明顯的差距。

  04

  國際橋協的同行曾多次問我:為什么在長江中游要造大跨度懸索橋?長江中游(南京-武漢)為內河一級航道(5000t級),通航凈高24米,500米左右的一孔斜拉橋或2×250米的分孔通航也能滿足要求,不宜追求大跨。武漢以上為二級航道(3000t級),通航凈高18米,除地形地質條件不利而必須一跨過江外,更不應盲目追求大跨。至于湘江、贛江等支流均為內河三級航道(1000t級),通航凈高僅10米,盲目追求大跨是完全不能接受的,也是極不經濟的。

  05

  目前,斜拉橋的跨度已突破千米,且尚有發展的潛力,在1200米跨度范圍內,完全自錨的斜拉橋的經濟性將明顯優于懸索橋。而且,多跨斜拉橋的剛度,抗風穩定性和可施工性也優于多跨懸索橋。例如,法國設計的希臘Rion-Antirion橋(圖1),水深65米,且位于地震區,通航18萬噸海輪,采用了十分經濟合理的多跨560米斜拉橋方案和創新的加筋土抗震基礎,也沒有采用多跨懸索橋方案。又如德國和丹麥之間的費馬恩海峽的橋梁方案(Fehmarnsund Bridge)選用多跨780米的斜拉橋,可滿足20萬噸海輪的通航要求,是最經濟的跨海工程方案,也為我國長江下游的越江工程和東南沿海的跨海連島工程提供了重要的借鑒(圖2)。

  加強中國橋梁界的經濟性理念,建議學習發達國家的以下成功經驗:

  01

  首先,要慎用造價較昂貴、施工期也較長的懸索橋,無論在長江下游的越江工程、沿海的跨海連島工程,以及中西部山區的跨谷工程中,都應優先考慮相對較經濟且拉索可以更換的斜拉橋或者拱橋方案。如必須采用懸索橋時一定要提出充分的理由,而且,對于不可更換的主纜防腐要認真處理,以保證其壽命期中的耐久性。不能僅以追求跨度為由,不顧經濟性原則而隨意確定懸索橋方案。

  02

  在大橋建設的規劃或預可階段,先由業主根據已建成橋梁的成熟經驗制定一個最經濟的方案(不一定是創新的和最美觀的)作為基礎性方案,用以確定投資預算的基準線。在隨后的設計競賽或征集方案中,為鼓勵創新的目標或標志性的景觀要求,可允許適當超過基礎性方案的造價,但要有一個限度。德國的做法是不超過10%,對于城市小跨度橋梁,因投資較少,可因特殊的景觀要求放寬至15%,超過15%的方案將不予接受,以體現經濟性原則的重要性。

  03

  重要的大橋工程應通過公開、公平、公正的設計競賽體制,確定優勝方案和設計單位,避免由一家做方案比選的弊端。同時,也可鼓勵各設計單位提高以創新和經濟理念為基礎的競爭動力,對中國橋梁的發展和進步是十分有益的。

  04

  在方案比選中一定要列出每平方米橋面材料用量的指標,并和國外先進指標作比較,以鼓勵使用高性能材料以及通過精細化的設計,使物盡其用,避免保守和浪費的設計,也可防止模仿、抄襲和不思進取的惡習,盡快縮小和發達國家的差距。

  05

  在進行巨型跨海大橋工程的規劃時,常常有“橋隧之爭”,如瓊州海峽工程、浙江沿海的連島工程和崇明越江工程等,就要十分注意橋梁方案的經濟性,以顯示出對隧道方案的優勢。同時,又要承認橋梁在耐久性方面的不足采取切實措施保證150年甚至200年的使用壽命。對跨海工程的通航要求要進行科學的論證,如果只有少量大噸位的海輪偶爾通過橋孔,就應當采取限速的“約束航行”,降低通航標準,而不宜盲目追求造價昂貴的超大跨度懸索橋方案,從而失去對隧道方案的競爭力。

  06

  前面提到中國的設計標準和施工定額偏低,這是因循蘇聯體制的規范遺留下來的問題。要解決中國橋梁的耐久性,實現全壽命的經濟性,必須提高質量觀念,依靠先進裝備,加強耐久性設計和建立對全壽命的問責制等措施,做出優質和耐久的橋梁。要適當提高施工定額,保證施工企業有合理的工期和造價,以便讓施工企業有利潤空間進行創新的研發工作和裝備的升級換代。用過低的“偽經濟”造價做出“短命”的橋梁是中國橋梁不經濟的要害。

  07

  評審專家也要把經濟性原則放在重要位置,以對人民負責的態度抵制一切不正常的“公關”活動,避免不經濟的方案得以批準實施。對于隨意浪費國家投資的極不經濟的案例,要在業內進行批評、公開披露、汲取教訓,以杜絕類似事例的蔓延,在橋梁界弘揚節約的美德。

  中國現在仍然是一個擁有13億人口的發展中國家,人均GDP仍在100位以外。橋梁建設的投資都是人民的血汗積累,容不得隨意浪費。橋梁設計的六項原則中并沒有要求設計者去追求跨度的突破以及多少“第一”和“之最”。盡管各種橋型目前的紀錄跨度都還沒有達到可行的跨度極限,但我們不能僅僅為了追求跨度第一而不顧經濟原則。因此,橋梁工程師一定要把自己的創造力集中到創新、質量和美觀這三個方面,同時還要十分重視經濟性指標,努力建造出優質、耐久又美麗的橋梁,為民造福。

  中國橋梁的現狀——知不足而常進

  前言:中國的橋梁建設,其規模和數量的發展速度之快令世界同行們刮目相看。中國人不甘落后,奮發自強的信念是創造碩果的原動力。然而,在自豪與激動的背后,我們有一批專家也正以一種冷靜的目光注視著中國橋梁事業發生的巨變。

  中國橋梁與國際水平還有差距

  據資料顯示,改革開放以來,我國僅各種類型的斜拉橋,就已建成了100多座,成為世界上建造斜拉橋最多的國家。并且在跨度超過500米的世界斜拉橋中,我國已從數量上占據了重要的地位。江陰長江大橋的建成標志著我國有了第一座超千米懸索橋,同時也使我們一躍成為世界上第六個能夠建造千米級大橋的國家。因此近一段時間各種媒體提到我國橋梁建設,用的最多的詞匯是“橋梁建設進入世界強國”、“世界第一”、“之最”等。

  談到這一問題,項院士對記者坦言:“在歷史的長河中進行縱向比較,中國的橋梁發展速度是驚人的。但如果從國際視角來橫向對比,結果不容樂觀。20世紀的中國已經耽誤了太多的時間,在我們進行文革的時候,國外正處于60年代基礎設施建設的大高潮中,建設項目速度快,規模大。而中國的建設高潮卻始于20世紀90年代,整整晚了30年。可以說,我們現在只不過是做了國外30年前就完成了的事情。中國的橋梁發展速度快、規模大,成就顯著,在欣喜和自豪之余,我們應該警惕正逐漸滋生的自滿情緒,千萬不要滿足于速度和規模。我經常聽到一些說法,認為中國已經成為了橋梁建設的強國。事實上,從國際視角看,排名前幾位的國家有美、德、英、法、瑞士、日本、丹麥,其他還有瑞典、加拿大、澳大利亞、意大利、西班牙等,而我們最起碼要排在第七位以后了,還有一定的差距。國際上并不以跨度論英雄,而強調創新。因此,國際上評選的優秀橋梁,跨度可以不大,但一定有很好的創新點。”

  那么,中國現在的橋梁建設水平到底處于怎樣的地位?項院士說:“也許可以講,中國憑借橋梁建設的規模進入了世界前十名之列。但從總體上講,我們只是橋梁建設的大國,不是強國。中國從大國走向強國,還有一段路要走。強國的首要特征是“品牌”,要有擁有核心技術的品牌企業。其次,品牌企業要有國際競爭力,表現在國際設計競賽和施工招標中的勝出。它的總工程師在國際舞臺上都非常活躍,有的還是國際學會的核心領導人,或經常被邀請參加國際會議作主旨發言。因為這些企業的技術被國際橋梁界充分認可。作為中國橋梁界的代表,每當我參加國際橋梁會議時,都深感孤單和遺憾。中國大型企業的總工程師很少應邀出席國際性的會議并演講。所以,我一直提倡新一代的工程師們一定要走出國門,進行國際交流,參與國際競爭。只有在競爭中,才能表現出自身的不凡實力,得到國際承認。參加國際交流的重要途徑就是在國際雜志上發表論文。我認為國內的一些技術論文要解決文風不實、內容空洞的問題,不要只是平鋪直敘地介紹跨度、工程量、強調規模。這樣的文章,很難引起國際雜志編委的興趣,因而很難在國際雜志上發表。我們的工程文章應該清楚地介紹:運用了國外什么技術、如何借鑒的,在哪些方面根據國情做了改進,哪些完全是原創性的等等。”

  樹立自主創新意識重視原創性

  談到我國橋梁建設,人們一定要談到“創新”,技術論文中一般也把創新點作為重中之重。對于“創新”的概念專家學者各有其看法:一種是創造原來沒有的,通過創造,產生出新的技術,可謂“無中生有”,另一種是對現有的東西進行變革,使其更新,成為新的東西,可謂“有中生新”。對此,項院士認為:真正的創新應該具有原創性。

  談到創新的問題,項院士意味深長地說:“魯迅先生說過:‘承認不足是前進的車輪。’小到一個人,大到一個國家,要進步必須要敢于承認差距和不足。中國橋梁建設與國際水平相比,差距與不足突出表現在沒有原創性的東西。我們在繼承既有成果的基礎上,有一些局部的創新。而真正的創新應該是原創性的。我們原創的東西屈指可數,大都是在學習國外20世紀60年代創造的新技術、新結構、新理論、新材料、新工藝。中國人學得快,學得好,而且也有志氣,希望能自主建設。但是自主并不等于創新,因為仍然用的是別人的技術。我曾經給研究生講過‘橋梁發展史中的主要技術創新’,我告訴他們,到現在為止,所有技術都是美、英、法、德等國在20世紀30年代至60年代創造的。例如,結構的預應力是法國人發明的,懸索橋是美國人發明的,另一種懸索橋由英國人發明。真正的創新,要從量變向質變發展,要有質的區別。國外專家到中國參觀大橋后,只有一個感覺:‘我們以前運用的技術,現在你們也會了。只是在量上有變化,跨度比我們大、速度比我們快,僅此而已。’中國的橋造得非常多,確實有一些局部的創新,但大多數在結構、施工方法上雷同。我們并沒有利用豐富的建橋機會,來實現真正的創新,每造一座橋都能夠上一個臺階。”

  問及我們缺乏原創性的根源時,項院士認為:問題根源在于缺乏創新理念。中國長期恪守著因循守舊的教育模式,沒有發揮孩子們的想象力、好奇心,沒有培養他們提出問題的能力。實際上,提出問題的能力比解答問題更重要。而國外的教育強調的是標新立異,要勇于否定舊的。

  項院士尖銳地指出:現在社會將“創新”二字低俗化了。要實現質變并不是一件容易的事情。雖然國外已經有很多原創性的東西,但中國的創新還有很大發展空間,我們不應該追求幾個“第一”、幾個“之最”,一座橋如果能有一到兩個新東西就已經非常了不起了。將70%的既有技術與30%的創新相結合,如果能解決現實難點,就是成功的,就能被國際上接受。但目前大家似乎都習慣于比較“第一”的數量。

  “我再次強調,年輕一代的工程師們千萬不要滿足于速度和規模,而要在創新、質量和美學上下工夫。不要盲目自滿,不要走入誤區,要利用國內一年造幾十座大橋的大好機遇。試想:如果每一座橋都能有一個創新,那么一年就能有幾十個創新。”

  “我國的科技競爭能力在國際上的排名仍然靠后,我們仍然是國外品牌的制造基地,消耗的是能源和勞動力,真正的核心技術仍然掌握在別人手中。中國的橋梁建設要實現超越,必須依靠創新。”

  中國橋梁界與國際水平的差距是客觀的,我們也應該看到,目前我們橋梁建設市場的發展速度非常快。改革開放初期,我國的橋梁界可能比國外要落后30年。經過趕超和實踐,如今的差距越來越小了。在今后的一段相當長的時期內,我國的橋梁界有著太多的實踐機會,相信以我們現在的步伐很快會趕上世界水平。

  中國內河橋梁建設與通航標準思索

  是業主好大喜功還是設計院的設計理念走入了誤區?什么原因導致中國不經濟和不合理的千米級大跨度橋梁建造趨勢愈演愈烈?

  去年底,媒體報道了很多千米級大橋通車的消息,其中不乏宣傳“第一”“之最”等詞,筆者不由得又想起國際同行對中國內河橋梁超千米級跨度和通航標準的質疑。為此筆者曾撰文在《橋梁》雜志發表,也曾向一些設計院的總工程師詢問,對方均表示出了無奈,說這是水運和航道部門的要求,但主管此事的上級機關領導卻表示:他們是根據下面報上來的通航專題論證和跨度而批示的。那么,究竟是業主好大喜功還是設計院的設計理念走入了誤區?或者是水運部門的要求不合常理而導致了中國許多不經濟和不合理的千米級大跨度橋梁紛紛被批準建造,而且還有愈演愈烈之勢?

  《橋梁》雜志2013年第一期發表了“長江與密西西比河橋梁之比較”一文,文中提到“兩條河的中下游規模相當,通航凈高相近,但兩者橋梁最大跨徑的選擇懸殊較大”。密西西比河上的橋梁跨度都在500米以內,而中國長江上的橋在90年代前也相仿。然而,最近十多年來所建新橋的跨度卻不斷增加,其中懸索橋就有10余座之多,值得反思。

  由于不經濟的超大跨度橋梁大多是以不合理的通航標準為主要依據。我想提出來和業內同行一起解讀和探討一下這種怪現象產生的原因。

  國外內河通航標準

  五大洲通海的主要河流,如美國密西西比河、南美洲亞馬孫河、非洲尼羅河以及歐洲的萊茵河、易北河和多瑙河等,大都在河口附近建港,停靠海輪,然后將貨物用內河船只轉駁到上游沿河各地城市。國外內河的通航標準除少數幾條大河外,一般都在5000噸級以下。

  除了法國塞納河口的諾曼底橋和韓國漢江口的仁川橋的跨度較大外,其余各國的內河橋梁跨度一般均在500m以內,而且全部都采用斜拉橋方案。其通航凈高在24~56m之間,凈寬則在150~400米之間,而通航凈寬和凈高之比則在5.9(約束航行,航速16節)~10.5(自由航行,航速30節)之間,跨度和凈高之比則在15之內,這是十分合理的。

  中國內河通航標準的現狀

  中國內河是以長江和珠江為代表的通航河流。長江在解放前為天塹,沒有一座橋。1957年在蘇聯專家幫助下建造了長江第一橋——武漢長江大橋,跨度為128m,滿足分孔通航2000t的標準(凈寬120m,凈高18m),即武漢以上至宜昌的航道為內河III級。1971年又建成跨度160m的多孔連續桁架橋南京長江大橋,通航凈空為150m×24m,滿足南京以上至九江5000t的內河I級航道標準。九江以上至武漢的中游航道因水深不足,降低為3000噸的內河II級。南京港以下至長江口的下游航道因水深增大,可行駛5萬噸的海輪,通航凈空為600m×50m。江陰以下的航道水深更深,通過疏浚長江口的航道,遠期可允許20萬噸級的海輪和郵輪進入,通航凈空增至900m×62m。可見,長江中下游航道因水深條件下同,適航的船舶噸位也不同,相應的通航凈空也不同。

  改革開放初期(1980年——2000年)在長江中下游(武漢長江大橋以下)建造了九江長江大橋(216m中承式鋼拱橋,1992)、黃石長江大橋(多孔245m連續梁,1995)、銅陵長江大橋(432mPC斜拉橋,1995)、武漢長江二橋(白沙洲長江大橋,400mPC斜拉橋,1995)、蕪湖長江大橋(312m鋼斜拉橋,2000)等,其通航凈高均為24m,選用跨度在245~432之間,都是在合理的范圍內。

  然而,自進入新世紀以來,湖北宜昌以下至南京段的新橋跨度猛增。如宜昌至武漢段(通航凈空18×120m)的宜昌長江大橋(960m懸索橋,2001)、夷陵長江大橋(345mPC斜拉橋,2001)、荊州長江大橋(500m,PC斜拉橋,2002);武漢長江大橋以下至南京段(通航凈高24m)的武漢陽邏長江大橋(1280m懸索橋,2007)、鄂東長江大橋(926m鋼斜拉橋,2010)、荊岳長江大橋(816m鋼斜拉橋,2010)、武漢二七長江大橋(2×616m鋼斜拉橋,2011)和馬鞍山長江大橋(圖1,2×1080m三塔懸索橋,2013)等,其跨度和通航凈高之比在19~53之間,都遠遠超出了正常的比例范圍。從圖1中可看出馬鞍山長江大橋左邊一孔的水深很淺,只能通行小船并沒有必要做大跨。

  更令人費解的是武漢長江大橋(一橋)上游和白沙洲大橋之間正在建造的兩座新橋:鸚鵡洲大橋(2×850m三塔懸索橋)和楊泗港大橋(圖2,1700m懸索橋),它們和相鄰武漢一橋的跨度極不協調。從圖2中可以看出,河槽中間突起呈W形,完全可以設墩,如選擇2×600m的三塔斜拉橋讓上下行船只分孔通航,就會更經濟合理,也更美觀。此外,同在武漢的天興洲長江大橋,因是公鐵兩用橋,航道部門就同意504m的斜拉橋,而且還是在武漢一橋的下游。為什么在航道等級降低后的武漢一橋上游反而要做1700m的懸索橋呢?

  再說南方的珠江,在黃埔港以上分南北兩汊進入廣州市,其中南汊為主航道,通航標準為137m×34m,相當于1萬噸級航道(北汊通過市中心區,航道等級較低)。所建橋梁中跨度較大的為鶴洞大橋(360m結合梁橋面斜拉橋,1998)、番禺大橋(380mPC斜拉橋,1999)和丫髻沙大橋(360m鋼管混凝土系桿桁架拱橋,2000),三座橋跨度都很接近,是合理的。2008年建成的廣州珠江黃埔大橋位于黃埔港上游的珠江河汊處,南汊主航道的通航要求為494m×60m,不知何故卻采用了主跨1108m的懸索橋(圖3)。從圖中可以看出,通航孔在左側,并沒有必要做懸索橋,700m左右的斜拉橋已能滿足要求。

  黃埔港以下至虎門的航道為5萬噸級,90年代設計虎門大橋時,要求通航凈空為600m×50m,為考慮錨碇的合適位置,選用了888m的懸索橋是合理的。然而,在規劃建造虎門二橋時選擇了虎門一橋上游的河汊區過江。交通運輸部《關于虎門二橋通航凈空尺度和技術要求的批復》(交水發[2010]288號)稱,坭洲水道通航凈高不小于60m,選用10萬噸級散貨船作為代表船型,通航凈寬按照滿足10萬噸級散貨船和5000t級雜貨船同時雙向通航計算,通航凈寬應不小于1154m。工可報告中建議采用1688m的超大跨度懸索橋,比下游虎門大橋增加了一倍。為什么在虎門大橋上游的珠江航道上要選用超千米的懸索橋?又為什么不能分孔通航而一定要合孔?為什么水深還不足15m就不許建橋墩,而非要一跨過江?不同噸位的船只為什么都要單獨的通航凈空,難道低噸位的小船就不能走大船的航道?而且,還要把各自要求的通航凈寬疊加起來,并排合孔過橋。于是就出現了虎門二橋要求通航凈寬1154m的“怪現象”。與此同時,鐵道部在虎門一橋的下游附近也規劃了一座鐵路橋,航運部門就允許采用分孔通航的方式,使跨度減小,以滿足鐵路橋的剛度要求。據說,在蘇通大橋附近將要造一座公鐵兩用的新橋——跨度為1092m的斜拉橋。為什么不能像南京長江三橋附近的大勝關鐵路橋那樣將跨度減半,采用2×600m的三塔斜拉橋,以增加剛度,節約造價?

  更為離奇的是湖南岳陽洞庭湖二橋的規劃。附近已建的一橋是2×310m的三塔斜拉橋,能夠滿足2000T內河III級航道的要求。然而,新建的二橋卻要求一跨過江,為爭當世界第一,曾推薦采用2008m跨度的懸索橋,后雖改為1480m懸索橋,如果通航凈高仍為18m,跨度和凈高之比將超過80,這將是難以理解的“世界笑話”。

  在洞庭湖一橋的下游,鐵道部也規劃了一座鐵路橋,仍采用300m左右跨度的三塔斜拉橋。為什么洞庭湖二橋不能公鐵合建以節約投資呢?現在鐵道部已撤銷,交通運輸部應當統籌規劃公路和鐵路的越江通道,采用更為經濟合理的雙層桁梁多跨斜拉橋,以避免公鐵分建所帶來的浪費和不合理的通航標準問題。

  上述這些反常的跨度和橋下凈高比例必然會引起外國同行的質疑,也值得我們反思。希臘Rion-Antirion橋,水深達65m,又在強震區,要求18萬噸的約束通航(16節),凈高65m,凈寬300m。經過方案比選,采用經濟合理的三跨560m的四塔斜拉橋(圖4)。如果讓中國工程師來設計,很可能又會選用一跨1700m的懸索橋。

  橋梁通航孔布置原則和存在問題

  橋梁設計要遵循“安全、適用、經濟、美觀、耐久、環保”等六項原則。概念設計的首要任務就是選擇合理的橋位和經濟、美觀的橋型方案,其中最核心的問題是按航跡線和通航標準(船舶等級和通航凈空)布置跨越主航道的主橋,并通過多方案的比較,選擇最經濟合理和美觀的橋型方案和跨度。

  中國內河的水深一般都在40m以下,大部分只有20m左右,基礎技術是十分成熟的。而且,萬噸以下的通航河流,橋墩一般都具有足夠的抗撞能力,防撞設計主要是為了保護船只的安全。因此,為了盡可能節約造價,內河橋梁應優先考慮分孔通航,即為上下行船只設置兩個通航孔,各行其道,減少在同一橋孔中交會時的風險,同時也可以減小跨度,節約造價。除非在地形特殊的河道頸口,如江陰大橋,水流較急,水較深,或地質條件不利,不宜建造橋墩時,則可考慮上下行船只合孔通航,采用較大跨度的橋梁跨越深水航道。合孔還是分孔通航,應由設計單位通過技術經濟比較來確定。

  國內在初步設計階段(概念設計)往往會遇到下列問題,致使通航孔的布置面臨許多非技術性的干擾,簡述如下:

  1.由于城市規劃的滯后,城市規劃和交通規劃不協調,公路和鐵路的各自為政,加上地形地質有利的橋位沒有預先規劃控制,已被工業區占用,失去了橋位選擇的優先權。或者,交通規劃工程師沒有充分考慮越江橋位的優先要求,而根據其他因素劃定了過江路線,從而給橋位設計帶來許多不必要的制約因素。

  2.少數官員好大喜功,盲目爭跨度“第一”“之最”,不顧經濟性,甚至任意指定橋梁的跨度。他們可能認為,在整個工程投資中,越江部分僅占小部分,多花幾個億不是問題。然而,在很小的通航凈高上建造超千米跨度大橋,將會帶來比例失調和資源浪費的嚴重后果。

  3.由于中國內河航運設備和管理的落后,船只陳舊,有的船員也未經嚴格培訓,造成撞墩事故時有發生。水運部門應當盡快使航運現代化,淘汰落后船只,培訓合格船長,裝備先進導航設備,而不應以安全為名不加限制要求加大通航凈寬,從而增加橋梁跨度。3000噸級的航道(凈高僅24m)卻要求千米通航凈寬,這是極不合理的。德國萊茵河為2500T級航道,通航凈空150m×24m,專門設計了現代化的低高度快速集裝箱內河船只和高效率的碼頭裝卸設備,其運輸量甚至超過長江,值得我們學習。

  4.一些設計院的領導也有懸索橋“心結”:誤認為只有造千米級懸索橋才代表高水平,從而放棄了概念設計的基本原則。有時還在經濟比較上弄虛作假,使不合理不經濟的方案得以通過評審而實施。他們應當知道,在一座多孔梁式橋附近建造一座超千米懸索橋視覺上是多么不協調?!

  以上幾種情況可能是造成中國內河通航標準出現凈寬和凈高之比嚴重超出正常范圍,從而出現被迫建造千米級懸索橋的主要原因。這種怪現象已經受到外國同行的質疑,也給中國橋梁工程界的聲譽帶來了負面評價。

  從上述中外通航要求的對比中,我們應當認識到,中國內河通航標準確實存在不合理的問題,希望新組建的交通運輸部能組織業主、規劃、航運、水利和橋梁設計部門一起認真討論,對中國內河制定一個合理的通航標準。由設計單位根據標準確定合理跨度和橋型方案,而不應由航道部門任意要求通航凈寬,甚至對跨度和橋型進行批復。

  內河航道等級由水深決定,通航船只的最大噸位決定了船的高度和長度,由船高決定通航凈高,由船長按“活動域理論”確定所需的安全凈寬。因此,通航凈寬和凈高應當有一個合理的比例。考慮到船舶和橋墩之間的安全空間,跨度和橋下凈高之比應當控制在20以內,即跨度不應超過凈高之20倍,國外橋梁大都在15以內(蘇通大橋為1088/62=17.5),跨度和橋下凈高的比例過大,不但經濟上不合理,也失去了比例美。在同一航道等級的河段上,通航凈高相同,橋梁的跨度應當相近,根據河勢和地形可以有適當的調整。如果比鄰的橋梁跨度相差過于懸殊,就很不協調,也一定會引起質疑。

  最后,建議交通運輸部重新審議一些尚未動工的超大跨度懸索橋,如能和鄰近已規劃中的鐵路橋合建成跨度較小的公鐵二用斜拉橋,可為國家節約大量投資。中國仍是一個發展中國家,經濟性原則必須在方案比較中占據重要地位,不要為了爭“第一”和“之最”或者為了遷就落后的航運技術而隨意浪費資金,甚至鬧“國際笑話”。我衷心希望業內各方面的有關部門認真思考,從創新、質量和美學上多下功夫,把中國橋梁建設好,為中國從橋梁大國走向橋梁強國多做貢獻。



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