黄浦江上的四座大桥,每一座都在挑战世界新难度
2020-12-21 08:43

黄浦江上的四座大桥,每一座都在挑战世界新难度

本文来自微信公众号造就(ID:xingshu100),内容整理自林元培在上海设计之都十周年工业设计主线论坛上的演讲内容,演讲:林元培(中国工程院院士、上海市政工程设计研究总院总工程师),编辑:柴朝宸,原文标题《工程院院士林元培:南浦、杨浦、徐浦、卢浦四座大桥,都是我的孩子》,头图来自:视觉中国


林元培说,到黄浦江上去造大桥是他的梦想,而这个梦想始于50多年前。


这50多年来,林元培一直在和桥打交道。作为首批中国工程设计大师,他设计或主持设计过20余座大跨度的桥梁,上百座中小桥梁。而这其中,上海黄浦江上的南浦、杨浦、徐浦、卢浦4座大桥,都是他的孩子。



1963年,任上海市政设计院副总工程师刘作霖主持建造柳州大桥,而这也是林元培参与设计的第一座大桥。


在此之前,上海市政院设计的都是苏州河上的小桥,一跨只有六七十米,而柳州大桥需要的跨度翻了一倍,要120米。


同时桥的结构也与原来在苏州河上设计的桥不同,因此计算结构也必须要用新的公式。


柳州大桥,1968年竣工,首个运用悬臂施工的大跨径预应力T型钢构桥


对于这些挑战,参与设计的技术人员们需要创新,也需要承担风险,而刘作霖给包括林元培在内的所有工程设计师都上了一课——桥梁设计的关键就是敢于承担责任。


刘作霖担下责任,带领所有人一起建成了柳州大桥。而柳州大桥竣工后,他的一句话更是成了上海市政院三代工程师的梦想——


“我们不仅要造柳州大桥,我们还要到黄浦江上去造大桥。”


(以下内容整理自林元培在上海设计之都十周年工业设计主线论坛上的演讲内容。)




要想在黄浦江造大桥,就必须做好理论和工程技术的准备。


上海市政院的第二代总工程师调查后认为,在黄浦江上造桥,最经济可行的便是斜拉桥。


可光有理论还不行,必须做个真的出来检验,因此上海市政院选在了松江的泖港,做了第一座斜拉桥的试验桥——泖港大桥。


泖港大桥,1982年竣工,曾是国内最大跨度的混凝土斜拉桥


“试验桥这个冠词加上去就是说,你出了毛病也可以原谅的,出了毛病也是小范围的事,如果到了黄浦江一出问题,大家眼睛看得清清楚楚。”


林元培在泖港大桥的工程中从事着软件开发的工作,这座200米的桥成为了他检验想法的试验场,而泖港大桥的完美建成,也告诉林元培一个确定的信息——双塔双索面的大跨径斜拉桥,可行!


泖港大桥双塔双索面桥型,后南浦大桥也采用该桥型  图源:上观


泖港大桥建成后两年,林元培走上了上海市政院总工程师的岗位,尽管积累了多年的经验,然而面对黄浦江大桥的梦想时,他还是一直问自己——


“如果明天就要造黄浦江大桥,我有把握没有?”


为了更有把握,林元培仔细量测了自己与梦想间的差距——


第一就是跨度。


桥梁的跨度越大,结构设计和工程施工的难度也就越大。


因为上海是港口,船只往来众多,如果在水里设桥墩,就有了撞船事故的可能性,同时水下施工工期长,造价也不便宜,所以黄浦江上造桥希望一跨过江。


而黄浦江在市区段内,即使窄的地方也有约400米宽,林元培的经验只有200米(泖港大桥),还远远不及。


第二就是斜拉索。


斜拉索把桥面和索塔连接起来,是斜拉桥最主要的受力构件之一。而中国制造的斜拉索和国外制造的斜拉索质量差距很大,这将直接限制桥梁能够实现的尺度。


斜拉桥受力示意图


如何解决呢?


林元培有了一种构思——过去推导公式时,总是先提出理论,再通过实验室的模型试验来检验,而对于造桥的差距,或许也可以用这样的方式来解决。


于是林元培利用起自己手里的中小桥项目,干脆把这些真的桥作为模型试验,来一步步缩短自己离梦想的差距。


“中小桥的风险是不大的,但是你的构思可以检验。”


恒丰路立交桥,1987年竣工


他的第一个试验选在了上海的恒丰北路。


恒丰路立交桥在铁路上海站的西侧,离上海站不过200米,火车都需要从桥下经过。因此铁路方面要求,如果桥的沉降影响到了下方火车的通行,那桥就必须撤走。


桥的要求高,在林元培看来却是好事——上海是软土地基,土力学研究了上百年,桥梁的沉降一直是问题。


而借此机会,林元培试验着把钢管桩一直向下打76米,打到硬土层上,以软土地基的深桩技术解决了沉降的问题。


同时他也在这个项目和后来的广州海印大桥的项目中,一次又一次地修改斜拉索,使得中国的斜拉索的受力性能不断地向国际水平看齐。


海印大桥,1988年竣工


而另一个重要的试验,是重庆的嘉陵江石门大桥。


因为嘉陵江在中部有个岛,可以在桥的中部立索塔,所以相对于之前有经验的双塔斜拉桥的模型,这个桥只需要设计半个斜拉就好了。


嘉陵江石门大桥,1988年竣工,利用江中岛的地理特点,采用了单索塔的桥型,索塔离岸230米


尽管挑战性很高,但在林元培眼中,它却是实现黄浦江大桥的最佳跳板。


“我当时就考虑,半个斜拉桥的塔离岸上有230米,要是把它建成了,我再重复一次就是460米,460米就够黄浦江了。”


当林元培听到嘉陵江石门大桥合龙的消息时,竟然激动得昏了过去,“我们今天可以过黄浦江了!”


随后,他便在跨黄浦江大桥的可行性报告里写下,“今天在中国,设计施工400米以上的斜拉桥是可能的”。


这“可能”二字意味着,做了近20年的黄浦江大桥的梦,终于照进了现实。


南浦大桥,1991年竣工


1988年,浦东乘着改革开发的东风迎来开发,林元培也终于迎来了在黄浦江上建桥的机会,成为了南浦大桥的总设计师。


当时他做了两个方案,方案一是把嘉陵江大桥作为原型,而另一个方案,参照了当时世界上已有的460米跨度的加拿大安娜西斯桥(Annacis Bridge)


加拿大 Annacis Bridge,建于1986年,跨度465米,世界上第一座典型的组合梁斜拉桥  图源:structurae.net


在方案评选时,专家们都认为外国的方案好,施工快。作为少数派的林元培,便服从多数,按照定下来的方案开始组织施工。


可是考虑到安娜西斯桥才建好没两年,林元培仍旧放心不下,于是项目还在打钢管桩的阶段,他便派同事先去加拿大考察一下。


结果同事去了两三天就打电话回来,说发现安娜西斯桥上有裂缝。


林元培听此消息后心急如焚,立即也前往了加拿大,考察回来后他马上进行了计算,计算结果显示果然是有裂缝。


“既然我算得出来,说明它是有规律的,不是工人操作中马马虎虎弄出来的。有裂缝,雨水就要渗透下去,下面是钢钉和钢梁连接,如果时间长了,钢钉锈了,桥就跨掉了啊。”


南浦大桥,主跨423米,塔架高150米  图源:structurae.net


林元培经过反复研究,为安娜西斯桥的4种裂缝分别找到了化解的方法,并决定更改设计。


“设计是工程的灵魂,工程的安全、造价、工期,都在设计手里,如果有所不谨慎,出了问题很难收场。造桥可以有缺点,但不能有错误,不仅仅是经济上的影响,更重要的是人命的问题。法律是公平的,设计也要负起法律责任。”


最终,他带领百余名工程师对3000多张图纸进行了一一修改,让南浦大桥在黄浦江上立了起来。


而在此后20余年的时间里,桥身上也没有出现过裂缝。这座桥不仅开创了我国现代大跨度斜拉桥的先河,也为我国斜拉索的改进发展打下了基础。



杨浦大桥,1993年竣工  图源:structurae.net


而就在在南浦大桥还未竣工之时,杨浦大桥设计也被提上了日程。


作为工业区的杨浦,交通量很大,亟需一座大桥连接对岸,然而杨浦大桥所在地的河面宽600米,当时世界斜拉桥跨度纪录才530米,如果要像南浦大桥一样一跨过江,就得做出个世界纪录。


“世界纪录是有风险的,但我反复推敲,我们还是有把握的,就上!”


在挑战世界纪录的过程中,林元培不仅从力学理论上证明了跨度602m的结构是稳定的,同时也优化改良了桥塔拉索锚固的结构,从工艺构造上解决了大桥的结构难题。


1993年杨浦大桥正式竣工通车,一下子将中国斜拉桥推到了国际领先水平。


徐浦大桥,1997年竣工  图源:structurae.net


杨浦大桥的成功,振奋人心,600米跨度都实现了,之后的徐浦大桥的跨度只需要590米,自然胸有成竹。


所以林元培毅然将这个桥的正副设计负责人的重担,交给了3位30多岁的青年技术人员。


“我跟他们说,你们独立思考,独立设计,我是在旁边看着。如果你们出了什么问题,将来责任是我的,你们做起来不要畏畏缩缩,大胆做!”


而被林元培委以重任的年轻人,后来也被评为中国工程设计大师,林元培“放手不放眼”,教给了年轻人设计的义务与责任,徐浦大桥也成功落成。



卢浦大桥,2003年竣工  图源:structurae.net


徐浦大桥竣工通车后的第四年,卢浦大桥也开始了建设。


然而卢浦大桥在还未进设计之前,人们便对它议论纷纷——


一种意见认为,黄浦江上已经做了三座斜拉桥了,第四座应该换个样子,给上海做个不单调的景观;


而另一种意见认为,还是继续做斜拉桥好,斜拉桥的设计和工程我们已经驾轻就熟,可以省时省工,何乐不为?


最后方案评选,市政院的拱桥方案中了标。


然而不同于已经驾轻就熟的斜拉桥,要做一个满足各方期待的拱桥,林元培还有许多关键问题需要解决。


第一,就是要如何做得安全。


拱桥的力学特点是它会将桥面受到的竖向的力,转为桥基处水平向外的推力,因此它的桥基做在岩石上是最可靠的。


而上海是软土地基,如果将桥基处巨大的水平推力推到了软土上,软土一散,桥就塌了。


因此,如何平衡掉这个推力就需要想办法。


拱桥的受力特点:会将桥面荷载转化为桥基处的推力


林元培想了个方法——将卢浦大桥桥基处2万多吨推力,引到了桥面上。


他利用斜拉桥中的钢索,在拱桥上拉了800多米的水平索,利用钢索的拉力平衡掉桥基的推力,这样就即便这座拱桥架在软土地基上,也能像做在岩石上一样安全。


卢浦大桥利用水平索平衡桥基的推力


第二,就是要如何做得美观好看。


其实当时世界上已经有了跨度500米的拱桥,例如悉尼海港大桥(Harbour Bridge),但它们采用的都是30年代的工艺——


利用钢厂里轧制出来的小构件,连接成桁架式的结构——这样做出来的造型看起来非常繁琐。


而21世纪初,电焊的工艺已经能保证断面受力足够大,一根电焊的构件甚至可以抵得上轧制出来的几十根小构件。


因此已经可以通过焊接将构件做得很大,这样大桥的造型就可以做得比较简单。


悉尼海港大桥,采用桁架式结构  图源:wikipedia.org


卢浦大桥,利用电焊工艺实现了简约的造型  图源:wikipedia.org


2003年,卢浦大桥也建成通车,更成为了中国首个获得国际桥梁与结构工程协会(IABCE)“杰出结构奖”的大桥。


至此,目前黄浦江市区段内的四座大桥都已落成,它们不仅是林元培桥梁理论的结晶,更是他敢于为创新承担责任的体现。


回想上世纪80年代,经济规模逐年增大的上海,每天过江量高达104万人次和2.2万车次,但黄浦江市区段内却没有一座跨江大桥。


而如今,浦江之上的座座大桥,不仅连接起了浦西与浦东,更成为了一处处独特的江上风景。


作为黄浦江大桥之父,林元培说,“我很有幸来设计上海的几座大桥,我们上两代的总工程师想了半天,他们没有机会,而我碰到改革开放,所以我很感谢我们这个时代给我的机遇。”


本演讲由林元培在上海设计之都十周年工业设计主线论坛上发表。


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),内容整理自林元培在上海设计之都十周年工业设计主线论坛上的演讲内容,演讲:林元培(中国工程院院士、上海市政工程设计研究总院总工程师),编辑:柴朝宸

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