搏击在桥梁科技前沿

2009年12月2日,中铁大桥局桥梁专家秦顺全当选中国工程院院士。

秦顺全系四川人,有着四川人坚韧不拔的毅力和超人的智慧,又在峨眉山潜心“修炼”,在西南交大拿到专门与江河湖海打交道的桥梁及结构专业本科学士和工学硕士学位。上个世纪80年代,他出川了,顺着长江来到以征服江河湖海为己任的中铁大桥局,开始了与江河湖海搏击的生涯。

他主持和参与的多座特大桥在设计和施工中取得一系列重大技术突破:2002年获国家科技进步一等奖;2005年获国家科技进步二等奖……

 

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跨越长江

当他走下峨眉山,沿江而下之时,他赞美大山的雄伟,江河的壮丽,也为沿江人们跋山涉水的辛勤劳作而叹息。他立下宏愿:做一辈子修桥铺路人,让所有江河有桥,让所有的隔阻贯通,让人们驱车过江河,安步过深谷。

他走进大桥局的那一刹那,就感到这里是他“圆梦”的地方。大桥局是新中国诞生之初为修万里长江第一桥——武汉长江大桥组建的,这里汇集了全国桥梁科技精英。它是国家桥梁行业的代表队,肩负着推进我国桥梁科技进步的重任。

得名师授业是人生一大幸事。

大桥局设计院的前辈们也深深地喜欢上了这位中等身材,国字脸上配着一双明朗大眼睛的年轻人。他的眼睛里总带着对知识的渴望,他不多话,但总能说到“点子”上。
其实导师的爱,就是给他压担子。

1987年,初出茅庐的秦顺全有幸参加了钱塘江二桥的设计。钱塘江二桥是铁路、公路布置在同一平面上的特大桥,混凝土梁为单箱单室三向预应力变截面连续梁。当时,我国的桥梁规范大多是针对简支梁而定,箱型截面连续梁还是个空白;连续梁的计算程序也只能计算结构纵向受力状况,而箱型截面梁的受力特性却是三维空间的。在老专家的指导下,秦顺全设计完成了“箱梁扭转计算程序”,解决了约束扭转应力计算问题;他又利用空间结构分析程序,对箱梁的剪滞效应进行研究,找出规律,确定了纵向力计算的剪滞系数。他的首份“答卷”令人们刮目相看。

 

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攻坚克难

上世纪90年代初兴建的武汉长江二桥,是一座主跨400米的城市桥梁。在当时也是我国最大跨度的混凝土斜拉桥,在世界上也名列前茅。它对大桥设计院来说是个千载难逢的好机遇,也是一次严峻的挑战。它的设计施工面临着很多亟待攻克的技术难题。其中一大难题就是混凝土梁的安装控制。我国的第一座混凝土斜拉桥天津永河斜拉桥的安装是采用在支架上制成混凝土梁后,再拉起钢索,拆除支架,以保证桥梁的线性和受力。这也是当时国内外大多数混凝土斜拉桥的梁体安装方法。但这种施工方法在水深流急的长江上建桥是不可想象的。混凝土梁的施工安装必须利用斜拉索的提升力,在斜拉索上进行施工安装。那么怎样确定和控制斜拉桥各施工阶段的索力张拉值和梁体的安装标高?并在斜拉索调整次数较少的条件下达到成桥要求的内力和线型?这是斜拉桥安装计算和施工控制的主要工作。它关系到大桥的质量,关系大桥施工的安全。然而斜拉桥的安装计算和施工控制在当时既无国内外参考案例,亦无计算程序,设计工作承受着空前的压力,就连一位多年从事桥梁设计的专家也说“难度实在太大”。

秦顺全在课题研究的关键时期,把自己关在电脑房里,分析现有斜拉桥的安装计算方法,并通过大量数据演算和科学论证,提出了斜拉桥桥梁安装无应力状态控制的新方法,从而创建了以无应力索长计算法为基础的施工控制软件系统。这套软件解决了结构规模大、施工阶段多、计算时间长的矛盾。其后,“无应力状态控制法”在包括预应力混凝土斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、结合梁斜拉桥、混合型斜拉桥和钢桁梁斜拉桥在内的二十多座大跨度斜拉桥中成功应用。以“无应力状态控制法”为理论基础的斜拉桥结构软件系统,获铁道部工程勘察优秀计算机软件一等奖,获全国优秀工程设计软件铜奖。《无应力状态与桥梁施工控制》专著已正式出版。

轻型、大跨是桥梁发展的方向,也是一个国家综合工业水平和桥梁科技水平的体现。我国铁路桥梁主跨从武汉长江大桥120米到南京长江大桥的160米,再到九江长江大桥的216米,成为我国桥梁史上的里程碑。上世纪90年代设计芜湖长江大桥之时,大桥局完全有能力,我国的工业综合水平也能够支持它的跨度超过300米,400米……然而芜湖长江大桥受到通航净空、飞行航线制约,桥塔不能高。要建成矮塔大跨度斜拉桥,这在国内国外均无先例。高塔斜拉桥钢索象你垂臂提物,矮塔钢索的受力象少林寺和尚伸臂提水练功,高长比决定角度。在矮塔上如何实现大跨的梦?这是摆在主持芜湖长江大桥设计的秦顺全面前的难题。秦顺全和专家们提出了斜拉索与钢桁梁相结合、采用厚钢梁板焊接成桁梁、混凝土桥面板与钢桁梁相结合的创新方案,增强大桥的承载力,满足312米大跨度的要求。前两项创新容易被常人理解,混凝土桥面板与钢桁梁相结合则要从物体拆压断原理说起,物体受压断裂时上部为挤压变形,下部则为拉伸变形和裂开变形。原来的桥面板是铺在桁梁上,承受横向受力。当把桥面板结合在桁梁上,它就受到了纵向的挤压力,加强了钢桁梁承载力,从“负数”变成了“正数”。经国内外专家评定:芜湖长江大桥的总体建造技术达到国际先进水平。“大跨度低塔斜拉桥板桁组合结构建造技术”,攻克了我国铁路桥梁跨度300米的大关,于2003年荣获得国家科技进步一等奖。

 

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挺进大海

21世纪是走向海洋的世纪。我国经济发达的东南地区在筹划多座跨海大桥。秦顺全敏锐把握我国桥梁建设动态,超前开展了跨海大桥建造技术研究。他调查了我国近海的海况,大多是有大陆架的浅海区,但多是潮差较大的潮汐区和多风的季风区,海上施工环境极其恶劣。海风中还有对钢铁腐蚀性很强的氯离子,对桥梁寿命有着极大的影响。江河湖泊上传统的桥型桥式和传统的施工方法,有着种种不便和造价过高的弊端,且质量难以保证。

桥梁科技工作者必须另辟路径,找出一套更为安全可靠、经济合理、方便快捷、确保质量的新设计、新方法。秦顺全提出“海上长桥整孔箱梁运架技术及装备”的设想,并发挥大桥局桥梁设计、施工 、科研、机械制造四位一体的优势,组织各方专家攻克了长70米、宽18米、重2000多吨的箱梁的设计关、制造关,研制成功了亚洲第一的运输、架设一体化的“小天鹅”号2500吨运架吊船和其后的“天一号”3000吨运架吊船。

《海上长桥整孔运架技术与装备》区别于国内外所有的传统桥梁施工方案:它70米跨距,桥墩和70米箱梁工厂化生产,桥墩和箱梁用吊船整体吊装架设。这一方案在2001年9月召开的杭州湾跨海大桥国际设计方案竞赛大会提出。国内外桥梁专家认为:这是我国的自主创新技术,他的桥跨不仅适应杭州湾跨海大桥,在我国东海、黄海、渤海和南海等具有大陆架的浅海区,也是最为经济适用的施工方案。它与传统的多片简支梁组成一孔梁的方案相比减少了海上作业的混凝土湿接缝,也就减少了氯离子对梁体钢筋腐蚀的机会,同时也增强了箱体的整体性和稳定性。工厂化生产桥墩、桥梁与海上现浇墩、现浇梁施工相比,消除了工人在海上长期作业的恶劣环境,有利于工人的身心健康,进而提高了工效和梁体的质量。杭州湾跨海大桥的业主把大桥的设计和箱梁制造运输架设的重任交给了大桥局;上海东海大桥建设捷足先登,业主也把东海大桥的设计,混凝土桥墩和混凝土箱梁的制造、运输、架设交给了大桥局。

随着东海大桥的建成通车和杭州湾跨海大桥的顺利施工,这项“海上长桥整孔运架技术与装备”已运用于舟山群岛连岛工程、沪崇苏越江通道、青岛的黄海大桥。这项技术2005年荣获国家科技进步二等奖,秦顺全排名第一。

他担任大桥局集团公司总工程师以来,始终站在桥梁工程科技的前沿;他主持我国铁路客运专线第一座大跨度四线铁路公铁两用桥——武汉天兴洲大桥关键技术研究,先后开展了十六项专题研究;他主持开发的钢吊箱围堰整体浮运、锚墩定位、兼作钻孔平台施工技术和钢吊箱围堰重锚加定位桩定位技术均获国家发明专利;他主持的铁路客运专线900吨整体箱梁运架技术研究,其运架设备已开始批量生产。

他作风严谨,学风踏实,勤于钻研,勇于创新,善于总结,先后公开发表学术论文28篇,译著2篇,出版专著2本。他积极开展与国内外学术界的技术交流与合作,多次应邀到日本、美国、丹麦、台湾等国家和地区进行学术交流。《武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究》、《斜拉桥安装的无应力状态控制法》在2006年香港 “21世纪挑战国际桥梁工程”国际会议上发表,受到国内外桥梁专家的好评。

在科技管理中,他准确把握桥梁科技发展趋势,主持研究制定了企业科技发展规划;他推行企业学科带头人制度,努力造就一个优秀的桥梁科技团队。他致力于桥梁施工工艺的标准化建设,在总结大桥局50多年施工经验的基础上,主持开展了“钻孔桩施工”、“预应力混凝土斜拉桥施工”、“墩台、索塔施工”、“预应力混凝土连续梁施工”、“钢桁梁架设”等企业技术标准研究。并付诸实施,提升了集团公司桥梁施工技术水平。

他2001年任总工程师以来,中铁大桥局集团有限公司先后获国家科技进步奖4项,发明专利5项,省部级科技进步奖8项,鲁班奖6项,进一步巩固了企业的技术优势,增强了企业核心竞争力。