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作者| 须臾千秋，清华大学土木工程博士
在四川省雅安市的雅西高速公路上，有一座云雾笼罩的螺旋形大桥——干海子特大桥，它依山势而建，穿云破雾，还绕过了两个360°的大回旋，看起来像是过山车的轨道一般。
干海子特大桥全长1811米，与相连的干海子螺旋隧道一起，是雅西高速公路的控制性工程，也是世上罕见的螺旋形桥隧工程。它是世界上最长的钢管混凝土桁架梁桥，同时也是桥梁建设中难度最高的弯桥。它的结构设计与施工技艺创造了四项世界第一，使之在世界著名大桥中享有一席之地。
它的造型十分后现代，全桥广泛采用钢结构，车辆驶过时也会发出与众不同的金属声音，就连大桥两侧的防撞护栏也是采用的竖直钢结构和横向钢梁组成，既通透减小风阻，又能保护车辆。可以说，干海子大桥从上到下科技感十足。
干海子大桥的高科技可不是为了炫耀。它们都是被环境逼出来的。
（一）川西修大桥，首要任务是抗震
雅安这座小城之所以为世人所知，就是因为2013年发生的雅安地震。
雅安位处地中海-喜马拉雅火山地震带上。这里地震灾害频发，而且震源深度往往很浅，这意味着即使是一个本来不大的地震也能产生极高的地震烈度，进而在雅安造成极大的破坏。
在雅安地震中，震中芦山县龙门乡99%以上的房屋垮塌，正是由于这种极高的地震烈度导致的。因此，干海子特大桥最要紧的任务就是抗震。
一个结构要想抗震，那它的自重必须非常轻。因此，干海子特大桥的桥墩采用的不是一般大桥通用的混凝土桥墩，而是这种外观类似于过山车支架的空管钢架桥墩。
（轻盈的钢架桥墩和粗壮的混凝土桥墩）
这些纤细的钢架看起来不够敦实，但实际上非常坚固。
单一的长钢管虽然强度高，但是容易发生屈曲。因此，工程师们在钢管之间连接了密集的斜杆及横撑，使整个桥墩的结构融为一体。
对于超过60米的超长桥墩，还在其中设置了腹板，横向增设K型支撑，使桥墩根本不存在屈曲的问题。这样纤细的桥墩，算下来承载力不比敦实的混凝土桥墩差。
除此之外，钢架还有着混凝土不具备的一项重要性能，那就是延性。如果真的遭遇了过强的地震，大桥无法抵抗发生屈服，那么钢架桥不会发生垮塌，而是会产生有限的变形吸收地震能量，为人员留出宝贵的逃生时间。
对于那些较高的桥墩，工程还使用了钢管混凝土柱肢 混凝土腹板形成组合桥墩，这是工程中此类桥墩的首次应用。
其中，钢管混凝土是一种非常优秀的结构。它在钢管中填充混凝土，利用坚韧的钢管承受弯曲应力，并对中间的混凝土进行围束。获得了钢管“加持”的混凝土抗压能力变得非常强劲，只需要很小的截面积，就可以获得与很粗的混凝土柱相同的承载力。
（钢管混凝土）
然而，钢管混凝土的施工并不容易，尤其是对于干海子特大桥而言。
这里海拔接近3000米，冬季平均温度-4.7℃，山上会覆盖厚厚的积雪。在如此低温下养护混凝土，它的强度会严重损失，即使使用早强水泥、乙二醇抗冻剂等传统抗冻手法也仍然无法应付。
核心混凝土的失效会严重影响钢管混凝土整体的力学性能发挥。为此，大桥的混凝土使用了一种特殊的外加剂——引气剂。
它可以在混凝土当中引入许多肉眼看不见的微小的气泡，进而改善混凝土的流动性和匀质性，减少混凝土的泌水。它可以有效提高混凝土的抗冻能力，最适合干海子大桥的低温、高强度情况。
经过反复的短柱模拟试验和经验积累，工程部终于摸清了引气剂的性能和最优掺量，最终实现了钢管与混凝土的紧密结合，保障了冬季施工下的工程质量。
在以钢材为主的轻型结构保障下，大桥实现了9度的抗震设防烈度，这是建筑抗震烈度的最高等级。结构形式的优化还将原设计的51跨简化为了36跨，不仅节约了成本，而且进一步减轻了自重，提高了抗震性能。
（二）“亚洲第一螺旋”，让道路既不太陡又不太远
一般来讲，修建山区公路时，要么修一条笔直的长桥穿山越谷而过，要么依山建起盘山公路。可是干海子特大桥是一座弯弯绕绕的螺旋形大桥，这是为什么呢？
原来，雅西高速上从园根村到大营盘的这12公里路段，海拔高度从1649米爬升至2362米，高差达713米。如果按照传统的隧道修建法，将这段路修成直线，它的坡度会达到5.8%，冬天一下雪，这段路就会成为哈尔滨“冰雪大世界”里的冰滑梯，车辆根本无法通行。
（哈尔滨冰雪大世界）
于是，工程师们设计了一种“半盘山道”，也就是螺旋道路。它也是利用了盘山道的“省力费距离”原理，但并不是贴着山体修建，而是距离山体外一段距离修建桥梁。
这样，既可以保证坡度不太陡，又可以缩短公路的距离，同时还避免了道路紧贴山体被地质灾害破坏。这段干海子隧道与干海子桥梁一起，以60公里的时速行驶，耗时只需10分钟，就可以以2.9%的坡度完成326.79米的爬升，并丝毫不受地形的限制。
这段精妙的设计被工程界称为“亚洲第一螺旋”。
然而，螺旋桥梁的设计、施工难度，都远非普通桥梁可比。
在力学中，弯曲结构的受力远比笔直结构更为复杂。尤其是在弯曲段，更是容易发生所谓的“应力集中”，使得局部的应力比正常状态下高出几倍。
因此，工程师在设计弯曲的桥梁、道路、建筑物时，涉及到的计算量都比规则结构高出许多。这需要丰富的工程设计经验来进行调和。
此外，在发生地基的不均匀沉降时，高螺旋桥梁由于其内部的复杂受力情况，很容易产生内部裂纹。为此，大桥巧妙地布置了伸缩缝，避免结构之间相互影响。并基于计算和经验的结果对结构的薄弱环节进行有针对性的加强，提高抗拉强度。
（大桥的伸缩缝）
（三）钢纤维混凝土，打造“韧性大桥”
普通的混凝土是一种脆性材料，它承受压力的能力很强，但是受到拉力作用时，混凝土内部细小的微裂纹就会迅速扩展，进而发生断裂。
目前，通过调整用水量与外加剂，混凝土的抗压强度已经可以做得很高了，甚至可以和岩石媲美，但其抗拉强度仍然很低。即使与抗拉能力很强的钢筋配合使用，也只能在宏观承载力上达到要求，却完全无法抵抗裂缝的产生。
外界的氧气、水分和有害离子会顺着裂缝进入混凝土内部，腐蚀钢筋。平时，荷载的产生自上而下，大桥内部应力恒定，裂缝的负面作用尚不明显；一旦地震到来，荷载来自四面八方，这种普通的钢筋混凝土结构就很容易发生破坏。
（混凝土的腐蚀）
干海子特大桥相比起普通大桥的一项重大创新，就是其全面采用了钢纤维混凝土进行施工。
在混凝土中掺入一定的钢纤维，在混凝土凝结硬化之后，钢纤维就会与混凝土牢牢地握裹在一起，产生一种特殊的咬合效应。在受到外界拉力时，钢纤维会承担起这部分荷载，牢牢限制混凝土内部裂纹的扩展。
这样，混凝土就变成了一种既不怕压、又不怕拉的材料。无论荷载来自哪个方向，它都可以保持强度，并且限制裂缝的扩展。外界有害物质难以进入混凝土内部，大桥的耐久性也得到了显著的延长。
（纤维增强混凝土的变形性能）
钢纤维混凝土的好处还远不止这些。
当重大地震发生时，再强有力的结构也会发生破坏。这时普通混凝土就会直接崩溃，建筑发生坍塌。而钢纤维混凝土则不会崩溃，而是会发生很大的变形，产生许多细密的裂纹吸收地震的变形能。
结语
干海子特大桥历时仅三年即建成通车，标志着中国的桥梁建设实力领先世界。它的顺利建成使成都到西昌的距离缩短为420公里，车程从10小时缩减到了5小时，极大地振兴了川南山区的经济发展。
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编辑| 史文慧
