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作者：邓露，湖南大学土木工程学院教授，研究生院副院长，ASCE Journal of Bridge Engineering 副主编。 21世纪桥梁工程步入了建设跨海连岛工程的新时期，2018年10月24日，全长55公里、世界上最长的跨海大桥——港珠澳大桥正式通车，一桥飞架粤港澳，天堑十年变通途。港珠澳大桥的建成通车具有里程碑意义，在近十年的建造时期内，我国团队通过自主科研攻关，解决众多世界级难题，创造多项世界纪录，最终呈现出令世人惊叹的作品。 图1 港珠澳大桥 近年来，一批跨海的超大跨桥梁建设方案不断被提上议程，如我国琼州海峡、台湾海峡、意大利墨西拿海峡、印度尼西亚巽达海峡、日本津轻海峡等。悬索桥是跨海峡大桥常见的桥梁形式，而且不断在跨径上实现突破。1937年，美国金门大桥建成，主跨达1280米；1998年，日本明石海峡大桥主跨达1991米；2009年建成的我国舟山西堠门大桥主跨也达到1650米。 目前世界上主跨最长的悬索桥——日本明石海峡大桥，主跨跨径达1991米，全长3911米，可承受8.5级强烈地震和抗150年一遇的暴风设计。大桥于1988年5月动工。1998年3月竣工，耗时近十年。 图2 明石海峡大桥 日本明石海峡大桥目前已保持1991米的主跨世界纪录20年，至今未被超越。其实在2005年10月13日，意大利议会批准了贝卢斯科尼政府和意大利建筑商Impregilo签署的墨西拿海峡大桥的建造合同。这座主跨跨度达3300米大桥一旦建成，将大幅提高桥梁主跨跨径的世界纪录，因而在相当长的一段时间内，这项史无前例的超级工程备受世人瞩目。 图3 连接意大利与西西里岛的墨西拿海峡大桥规划图 墨西拿（Messina）海峡是地中海的一个海峡，在西西里岛和意大利之间，是国际海上航行的重要渠道。墨西拿海峡大桥最初的设计构思是源于1969年由意大利公路局发起的一场跨越墨西拿海峡的铁路和公路方案构思的国际竞赛活动。尽管当时的技术水平有限，但由于该连接通道具有十分重要的意义，这项工程的构思方案引起了广泛的重视。西西里岛是地中海中最大的岛屿，面积2.57万km2，人口达500多万，东北隔墨西拿海峡与意大利本土相望，西南隔突尼斯海峡同北非对峙，扼大西洋通往黑海和经苏伊士运河达印度洋之交通要冲，战略地位可见一斑。 2000年4月18日，意大利政府确定将在墨西拿海峡上建造一座连接西西里岛与亚平宁半岛的跨海大桥。该工程的所有权属于墨西拿海峡有限公司（SdM），由该公司负责设计、施工和运营。修建的资金来源为：意大利政府财政机关出资约69%，公路公司和铁路公司各出资13%，卡拉布里亚区和西西里岛两地区各出资2.5%。2005年，该工程以设计施工总承包的方式进行招标，由意大利著名的建筑公司——英波基洛公司（SpA）为主联合意大利、西班牙、日本等6家公司组成的联合体——欧联公司中标。2006年，墨西拿海峡有限公司和欧联公司签订合同，但由于时任总理没有批准修建该项工程，工程被搁置。2008年，新任总理上任后加快了该工程建设的实施进度。2010年到2011年，由欧联公司对墨西拿海峡大桥进行了详细设计。 经过多次方案研究和优化，在2011年确定了设计方案，选择了扁平多箱加劲梁作为主跨3300m的墨西拿海峡大桥的加劲梁截面形式。主缆跨径布置为960（西西里岛侧）＋3300＋810m（卡拉布里亚侧）。加劲梁跨径布置为183（西西里岛侧）＋3300＋183m（卡拉布里亚侧），铁路梁在桥塔处是连续的，公路梁则非连续，采用铰接。边跨只在近塔段布置吊索，前无先例。 图4 墨西拿海峡大桥总体布置示意图 该桥为双向公路车道，还包括公路紧急停车道、公路维修道和两个铁路轨道，其中铁路位于桥面的中间。左右幅的两个公路行车道和铁路轨道处于独立分开的钢箱梁，并在30米中心处通过箱形钢梁进行横向连接。缆索体系主要起传递荷载的作用，将作用在钢桥面的荷载传递至钢桥塔和预应力混凝土锚碇，其中锚碇处通过反复循环的后张法工艺将主缆锚固。 图5 墨西拿海峡大桥横截面及车道布置示意图 建造墨西拿海峡大桥这类工程必然存在许多困难，除了规模之大，更需要考虑海峡的地质特点。 第一方面，海峡本身的特点是深海床、强海流，海岸接壤着高山，对风速和风向有较强影响。大桥结构中采用的流线型截面具有理想的气动性能。加劲梁由三个分离钢箱组成，为了改善桥面系的气动性能，两个边箱设计了风嘴、三个单箱彼此分离后形成两道开孔。三个单箱均支撑于间距30米的横梁之上。 第二方面，墨西拿海峡是一个直接影响非洲和欧洲大陆板块运动的活跃构造区。非洲板块和欧亚板块的碰撞以每年大约1厘米的速度把西西里向西北推，把卡拉布里亚向东北推。在墨西拿海峡的水下有一个地震活动断层通过，这一断层曾在1908年引发了里氏7.5级的地震，引发的海啸高达12米，意大利沿海受到重创，8万人遇难，数十个小镇被毁。1995年，日本明石海峡大桥在建造过程中曾遭受一场地震的袭击，大桥虽然经受住了大自然的无情考验，但却被向前推了80厘米。可见，令人顾虑的主要问题是桥梁的抗震稳定性。虽然墨西拿海峡大桥的设计考虑了2000年回归周期地震影响，桥板包含液压减震器吸收地震冲击，但对于这个问题不得不应提出更多、更好的应对方案。 对于桥梁本身而言，墨西拿海峡大桥长且灵活，作用于主桥的载荷引起的结构较大的位移响应不容忽视。为了尽可能地降低伸缩缝处的纵向位移，以减少后期维护管理，桥面板与主塔的纵向与横向连接通过液压系统，限制常规荷载情况下桥面板的位移。液压系统的引入可以明显减小桥面板在伸缩缝处的纵向位移，同时也可以减小列车通过时桥梁桥面伸缩的累计位移。 当然，在施工方面，还需考虑桥塔基础与锚碇处的场地高差很大，西西里侧相差50m，卡拉布里亚侧高差超过西西里侧的2倍多，而且两侧均位于市区，施工场地受当地现有建筑的限制。事实上，对于这项史无前例的超级工程，锚碇、桥塔基础、桥塔、主缆加劲梁等在施工时也将面临更大的挑战。 图6 墨西拿海峡大桥示意图 时至今日，阻碍这一世界级工程推进的主要原因仍是资金问题，大桥预计造价约为117亿美金。由于意大利政府财政吃紧，墨西拿海峡大桥项目暂时还处于搁置状态。但这项已完成设计的3300米主跨的墨西拿海峡大桥，一旦建成后无疑将成为桥梁发展史上的奇迹。随着世界级重难点技术问题的解决，必将带动新工艺、新设备、新技术的持续革新，实现桥梁建设的新飞跃。 桥梁一直以来就是交通的要害，是连接世界经济的重要纽带。超大跨径桥梁的出现征服了难以跨越的峡谷，到达了遥不可及的彼岸，对全球的交通出行、商贸往来及地缘政治格局都具有重要的影响力。随着科学技术的进一步发展，新材料、新技术、新设备等的不断涌现，世界桥梁的发展也将不断迈上新台阶，人类追求更大跨径的桥梁梦终将一步一步成为现实。 |
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