簡陽沱江特大橋設(shè)計圖。
長江沿岸鐵路集團四川公司供圖
信息化調(diào)度中心內(nèi)，工作人員在進行虛擬拼裝。
朱柯宇攝
工人在橋面進行焊接作業(yè)。
張耀川攝
正在建設(shè)的簡陽沱江特大橋。
本報記者 王永戰(zhàn)攝
一條沱江，清水悠悠。橋面，錘聲連連，焊花四落；橋下，鋼柱林立，江水緩流。站在岸邊高坡遠望，一座巨“弓”初具雛形，安臥在橋墩之上。
這是成渝中線高鐵建設(shè)現(xiàn)場，眼前的巨“弓”便是簡陽沱江特大橋的雛形。成渝中線高鐵是長江沿江高鐵的重要組成部分，全線長292公里，建成后，將使成渝通行時間縮短至50分鐘。簡陽沱江特大橋是其中的關(guān)鍵控制性工程，主拱計算跨徑320米，邊拱計算跨徑72米，是一座無推力組合拱橋。
無推力組合拱橋如何設(shè)計？建設(shè)中有何難點，如何突破？近日，本報記者進行了探訪。
創(chuàng)新設(shè)計
基于泥巖、砂巖地質(zhì)條件和通航需求，確定無推力組合拱橋設(shè)計方案
“弓”臂湛藍，“弓”弦平順。水面岸邊，兩座巨型橋墩供巨“弓”安臥。在簡陽沱江特大橋建設(shè)現(xiàn)場，數(shù)十米高的橋面上，藍色主拱緩緩向前延伸。工人手持焊槍，藍光閃耀，焊花綻放。
“這座拱橋的主拱橫跨320米,每幅拱肋由4根鋼管構(gòu)成，管內(nèi)灌注混凝土。”走上大橋，負責橋梁設(shè)計的中鐵二院高級工程師彭福兵娓娓道來，“主拱所有的水平力都由鋼箱系梁承擔，主拱對基礎(chǔ)不產(chǎn)生水平推力，并且大橋由鋼管混凝土主拱、鋼箱—混凝土邊拱、鋼箱系梁等組合而成，所以叫無推力組合拱橋。”
為何選擇無推力組合拱橋，又如何設(shè)計？彭福兵坦言，“方案設(shè)計大費周折。”
2020年，中鐵二院的設(shè)計團隊就開始圍繞成渝中線如何跨越沱江展開研究。團隊來到四川簡陽石鐘鎮(zhèn)的沱江岸邊觀察——河岸寬闊，足足有300米，河中水流緩慢，河兩岸低山丘陵遍布。
“經(jīng)我們鉆探勘察發(fā)現(xiàn)，沱江兩岸地層以泥巖和砂巖為主，地基承載力較差。”彭福兵說，基于這樣的地質(zhì)條件，常規(guī)的有推力拱橋方案便不宜采用。
同時，沱江未來有通航需求，又對橋梁主跨提出要求。“所以設(shè)計還要考慮盡量減少橋墩，減少對通航的影響。”彭福兵說。
2021年8月，新建成渝中線鐵路可行性研究報告批復(fù)，工程開工日漸臨近，橋梁設(shè)計也變得十分緊迫。怎么辦？設(shè)計室里，中鐵二院十多人的設(shè)計團隊整理地形資料和橋梁設(shè)計資料，展開頭腦風暴。彼時，擺在團隊面前有兩個選擇：嘗試無推力組合拱橋設(shè)計或采取斜拉橋的設(shè)計方式。
若采用斜拉橋設(shè)計，開挖量大，施工周期長，成本較高，但設(shè)計經(jīng)驗相對豐富；采用無推力組合拱橋設(shè)計，開挖量少，施工周期短，成本較低，但設(shè)計經(jīng)驗不足。“綜合權(quán)衡橋梁安全性、經(jīng)濟性和施工可行性后，我們最終確定無推力組合拱橋的設(shè)計方案。”彭福兵說。
橋梁設(shè)計緊鑼密鼓地展開。設(shè)計團隊反復(fù)分析受力結(jié)構(gòu)，確定橋墩位置，明確拱橋主跨長度；同時，制出800多張設(shè)計圖，從立面、斷面等不同角度展示橋梁結(jié)構(gòu)。最終，一套可靠詳實的無推力組合拱橋設(shè)計方案逐漸成形。
數(shù)字建模
利用建筑信息模型，通過提前虛擬拼裝和實時監(jiān)測調(diào)整，精準提升巨型主拱
橋上，藍色拱肋伸向天際。橋下，巨型支架密密麻麻。如何讓每一節(jié)拱肋向上生長？工程師們花了不少心思。
來到沱江特大橋的堆場，眼前，每節(jié)拱肋長達12米，由4根直徑1.1米的鋼管構(gòu)成。在拱肋鋼管內(nèi)，還將澆筑大量混凝土用以受力。未來，這些拱肋將被提升至大橋上，組成主拱。
“由于鋼管眾多，每一節(jié)拱肋在焊接時都會有焊縫，也可能存在尺寸誤差。若等拱肋送到橋上再解決誤差問題，就會大幅增加施工難度。”中鐵大橋局成渝中線站前五標段總工馬天亮說。
如何解決這一難題？施工團隊嘗試將建筑信息模型（BIM）和虛擬拼裝技術(shù)結(jié)合，提高組合拱拼裝和提升效率。
大屏幕上，虛擬的橋梁模型位于中央，兩側(cè)列著鋼管拱提升參數(shù)、應(yīng)力監(jiān)測、鋼管拱姿態(tài)等數(shù)據(jù)指標。
“模擬組合！”馬天亮一聲令下，工人點擊按鈕，一段拱肋進行虛擬拼裝。
“總工，虛擬拼裝結(jié)果顯示，鋼管拱姿態(tài)正常，符合提升前的精準拼接需求。”
如此情景，在施工現(xiàn)場時常上演。這種虛擬拼裝如何實現(xiàn)？原來，工人已利用數(shù)字采集設(shè)備進行掃描，將每一節(jié)拱肋數(shù)字化，然后將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)內(nèi)，便能進行虛擬拼裝。
長江沿岸鐵路集團四川公司科技創(chuàng)新帶頭人胡鵬說，施工團隊引入地理信息系統(tǒng)（GIS），將鐵路沿線施工資料數(shù)字化，實現(xiàn)了鐵路施工的數(shù)字孿生，建成了建筑信息模型系統(tǒng)。
消除提升前的潛在誤差，只是完成精準提升工作的第一步。
“施工中，我們要將跨度174米、重達2400噸的鋼結(jié)構(gòu)大節(jié)段鋼拱一次性提升，怎么實現(xiàn)？”馬天亮賣了個關(guān)子。
原來，常規(guī)方式下，施工團隊要用千斤頂提升，提升時的各點位承受重量要進行人工計算，以保證提升時的平衡。現(xiàn)在，團隊把一套基于建筑信息模型系統(tǒng)的智能監(jiān)測設(shè)備布設(shè)在各個提升點位上，提升時數(shù)據(jù)及時反饋，當點位出現(xiàn)相對高差并達到限值時，系統(tǒng)便能立刻調(diào)整各吊點的相對高差，實現(xiàn)提升過程中的穩(wěn)定和精準。“現(xiàn)在，我們的高差控制精度已達到毫米級。”馬天亮說。
高效組合
引入智能化螺栓施擰和混凝土智能溫控技術(shù)，保障不同材料組合質(zhì)量
橋面緩緩向前延伸，巨型組合拱旁，工人穿梭來往。站在沱江特大橋上，仔細看，已建成的拱肋靠一顆顆螺栓緊緊“攥”在一起。
一座鐵路大橋，擁有約7.2萬套高強度螺栓。螺栓雖小，作用巨大。
中午時分，橋面溫度高達50多攝氏度。工人們身著工服，汗水浸透了里衣。他們冒著高溫，揮動扳手，將一顆顆螺栓施擰到位。
如何讓每一顆螺栓精準施擰，保證主拱部件高效組合？施工隊伍為高強度螺栓配上了一個智能施擰系統(tǒng)。
組合拱上，不同位置的螺栓設(shè)定扭矩有所不同，智能化施擰系統(tǒng)為每一個螺栓都匹配了編號，并明確輸入了相應(yīng)螺栓的設(shè)定扭矩。工人使用智能化扳手施擰螺栓后，通過傳感器感應(yīng)，螺栓的施擰扭矩和施工時間就得以回傳系統(tǒng)。
“在我們的建筑信息模型系統(tǒng)上，每個螺栓的位置和擰緊狀態(tài)都能清晰展示。”馬天亮說，這樣就實現(xiàn)了對每個螺栓施擰狀態(tài)的全面掌控，避免漏擰、欠擰和超擰現(xiàn)象。
不僅要讓螺栓“攥”住不同主拱部件，也要讓鋼管與混凝土充分組合。材料不同，性能各異，怎么確保不同材料的高效組合？
馬天亮把手指向了施工項目部大屏幕上的智能溫控系統(tǒng)，混凝土溫度、流量等參數(shù)依次展示。“內(nèi)部混凝土溫度過高，增加冷卻水管通水流量。”傳感器監(jiān)測到混凝土溫度異常后，智能溫控系統(tǒng)自主啟動對冷卻水管通水時長和流量的調(diào)節(jié)。
“大體積混凝土澆筑進鋼管后，如果混凝土內(nèi)外溫差過大，存在開裂風險，嚴重影響組合拱的質(zhì)量。”馬天亮說，引入智能溫控系統(tǒng)后，工人在澆筑混凝土?xí)r，在鋼管內(nèi)埋設(shè)了溫度傳感器和冷卻水管，傳感器實時采集混凝土參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)智能溫控算法，自動控制冷卻水管通水時長和流量，精準控制混凝土降溫速率。“這樣，冷卻過程實現(xiàn)智能化、無人化。”馬天亮說，目前已完成超5000立方米的混凝土智能溫控。
今年下半年，沱江特大橋即將合龍。當包含不同部件和材料的巨型組合拱精準提升、高效組合，這座中承式無推力組合拱橋?qū)⒌却谝惶烁哞F列車飛馳而過。
