港珠澳大桥和清华人:让大桥能抗16级台风30万吨巨轮撞击

在“海上丝绸之路”的起点,一条巨龙将茫茫伶仃洋划为两半,蜿蜒绵亘伸向远方。

刚刚,港珠澳大桥开通仪式在广东珠海举行,被誉为“21世纪第八大奇迹”的港珠澳大桥正式开通,用最灿烂的姿态连接起香港、珠海、澳门三地,自此3小时的车程缩短至30分钟。

400多项新专利,7项世界之最,整体设计和关键技术全部自主研发……8年时间,港珠澳大桥圆了几代人的桥梁梦,让滴水不漏、120年使用寿命的中国标准惊艳了全世界。

“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”习总书记的话发人深省。从“一带一路”到“中国创造”,每一项大国重器的背后都有这样一群人,为国家战略提供坚强有力的科技支撑。其中,有很多清华人行胜于言的身影。今天,我们一起走近参与大桥建设的3个清华大学科研团队,听他们讲述如何登上桥梁界的“珠穆朗玛峰”。

在工厂标准化制作几个节段,用预应力钢绞线串起来,拼接浇筑成长达一两百米的钢筋混凝土隧道管节。多个这样的管节依次经过海上浮运、沉放,对接起来,并剪断钢绞线,整个隧道就是一个柔性整体。就像一串糖葫芦,安装到位之后,再剪断竹签,这就是柔性沉管隧道结构的基本原理。

在港珠澳大桥的沉管隧道之前,国内外沉管隧道结构仅有刚性和柔性两种。相比于刚性沉管隧道结构,柔性结构能够应对一定范围的不均匀沉降,拥有受力较均匀的优势。因此,参照国内外已有工程经验,港珠澳大桥工程中5公里多的沉管隧道初步设计选择了柔性结构方案。

但是,项目部专家很快意识到柔性结构方案对于港珠澳工程可能不尽适用。一方面,为了满足通航需求,港珠澳大桥的沉管隧道要深埋海底40多米,而世界上已有的柔性结构隧道均为浅埋隧道;另一方面,整个隧道在纵向地质条件及埋深存在差异。

“如果两个管节之间因荷载及地基差异而发生错动,隧道就有漏水甚至破坏的危险。”负责隧道差异沉降和结构可行性分析的清华大学土木工程系教授宋二祥解释道。有没有第三种结构存在,让8万吨的管节在40多米的海底,保证双向六车道的车辆安全通行120年,成为摆在所有人面前的难题。

就在此时,宋二祥接到了港珠澳大桥项目部打来的电话:“不剪断预应力钢筋,做‘半刚性’行不行?”

这个想法如同黑暗中的火花,令所有人激动不已。但是面对全世界从未有人涉足的“半刚性”隧道结构,既要在零基础上验证可行性,又要规避不确定性带来的各种风险,挑战可想而知。宋二祥带领团队从最基础的研究开始,做了大量分析、计算。为了不影响施工进度,熬夜成为他们的家常便饭。

走一条前人没走过的道路绝非坦途。计算机软件无法满足直接进行这一复杂问题精细分析的功能,他们就设法构造其他等效模型来进行分析;对于任何有疑问计算方法和结果,宋二祥就和团队一起,连夜推导、证明,不断优化计算模型和参数……最终形成了十几份厚厚的论证分析报告。

“前前后后5、6年时间,他除了在清华计算还来现场参加指导,每月都要来几次,为大桥结构体系创新做出了重要贡献。”港珠澳大桥管理局总工程师苏权科最佩服的还是清华人的钻研精神。

本以为详细周全的分析论证一开始就遭到了国外专家的断然否定。宋二祥非常坚定,“我们已经做了全面仔细的分析,半刚性结构是可行的”。经过多轮讨论、解释,终于让国外专家从不理解、不接受,转变为大力称赞“半刚性”方案。

“事实证明半刚性结构性能优越,整个隧道建成后滴水不漏。”宋二祥说,“正是通过参与到这种大型工程,促使我们不断进步,整个团队都得到了培养锻炼。”

横亘在伶仃洋面上的世界最长跨海大桥经受强台风“山竹”考验,不但主体桥梁、海底隧道、人工岛,就连桥面上护拦、路灯都安然无恙。设计寿命120年的港珠澳大桥再次刷新“中国质造”水平。

令人惊叹的是,作为世界最大的钢结构桥梁,大桥仅主梁钢板用量就高达42万吨,相当于10座鸟巢或60座埃菲尔铁塔的重量,在安全性能上能抗16级台风、8级地震及30万吨巨轮撞击。

高温高湿多盐的外海环境,对钢筋混凝土材料的腐蚀程度高、腐蚀速度快,“陆地上采用一般钢筋混凝土材料的建筑在同样的环境中,十年都撑不到”。港珠澳大桥要做精品工程,设计寿命达到120年,这在我国桥梁史上是从未有过的,凭借以往的经验和当时的规范是无法实现的,必须上升到理论高度。清华大学土木工程系教授李克非带领团队开始了日复一日的攻关。

长期耐久性设计的理论很早就被西方学者提出来,但是由于欧洲的大规模建设已经结束,所以这个理论框架从来没有被真正实施过。依赖湛江暴露试验站30年的宝贵观测数据,李克非和他的团队继承了已有的分析框架,第一次将耐久性知识系统地应用到港珠澳大桥上。

“我们的工作最难的是敢于应用自己的知识”,无数次李克非都面临着进还是退的选择题。有时候沉管隧道上混凝土的开裂宽度是控制在0.2毫米还是0.3毫米这样的“小问题”,都是他心中的“大问题”:如果控制到团队认为合理的0.3毫米,就可以大大降低施工成本;如果按照欧洲标准控制在0.2毫米,相应的施工成本就会提高。

时间紧、任务重,工程进度要求李克非经常要在一小时之内做出决策,而同等工程中欧洲团队论证决策的时间往往是两三个月。最终团队选择将开裂宽度控制在0.3毫米,“这考验我们在多大程度上相信自己的知识和研究积累。”他说,在这个大工程中,需要下决心的事情很多,每一处细节都可能会影响工程安全,有时候决策的重要性确实超过了一个人能够承担的重量。

岛上生活条件艰苦,但项目落地迫在眉睫。落实方案的过程中,课题组的王翩翩等两位研究生曾到大桥的施工场地——桂山岛上参与沉管隧道的施工,与工人们同吃同住十个多月。

“岛上淡水和食物都是摆渡船拉上去的,工人们几乎没有什么娱乐活动”,李克非在现场参与施工时还发现了一件有意思的事情,“我在开会的时候,发现他们说话一个比一个快。一到室外我就明白为什么了,因为讲话一慢就是一嘴的砂子!”原来岛上背面原本是海岛,因为取材需要被挖掘了一部分,当时海风特别大,几乎早晚都有。因此,一旦起风就会扬起很大的砂尘,而项目组的建设者从调研期间就一直坚守在工地。

经过一年多时间的反复论证,李克非和他的团队的设计成果凝结为港珠澳工程混凝土构件的耐久性质量控制指标。

“世纪工程的完工,超级难题的解决,是千千万万的人努力的结果。”李克非希望自己还有机会再次参与这些工程,希望有更多的清华的同行们能够参与,“我坚信我们清华的力量会越来越多地出现在这些世纪工程中。”

如果工程是解决问题的,那工程中的每一个异象都会显现出一系列问题,问题往往是以突变的方式到来。对于庞大的港珠澳大桥来说,每一处不起眼的变化都可能导致不可预估的后果。

“水上看得见,摸得着,有问题很快就能知道,已有的监测非常完整。但事实上,世界上所有重大工程的问题60%都出自水下。”负责大桥健康监测系统设计的土木水利工程学院教授张永良说。

“清华理论基础很扎实,能放心”,这是苏权科的信赖,也是大桥项目部的重托。张永良接下了设计保障大桥120年使用寿命健康监测系统的任务,带领团队调研市场成熟的设计方案,跟踪世界前沿文献,力图让健康监测系统成为“海中的眼睛”,监测伶仃洋下海流、波浪等各种结构受力要素变化的规律。

水下实时监测,全天候持续监测所有海洋环境中涉及桥梁安全的水下要素,甚至包括台风季节的;水上水下结合,组成完整的健康监测系统。这是世界上首次做到监测系统通盘考虑采样数据,对桥梁进行综合分析。

“虽然我们只承担了监测系统的一部分工作,但是能为大桥的使用寿命保驾护航,我已经觉得很光荣。”张永良说接下来的工作重点将转移到波浪能利用,“技术上争取国际领先,才能更好地解决海水淡化、南海岛礁用电等国家重大需求。”

百岁千秋,清华的命运与祖国命运同生共长。“大国重器必须掌握在自己手里。”为着一股气,一代代清华人义无反顾,“劈山建路架桥”,攀登科学高峰,助力国家前行。特别鸣谢 港珠澳大桥管理局文张静