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一所学校与一座大桥的不解之缘

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5月26日,历经8年论证、建设的苏通大桥随着奥运火炬的桥上传递通车试运营。消息传来,同济大学桥梁系教授、苏通大桥设计副总负责人陈艾荣抑制不住内心的激动:“同济大学与这座桥的缘分太深了!”

苏通大桥创下了很多第一:斜拉桥主孔跨度1088米,列世界第一;主塔高度300.4米,列世界第一;最长一根斜拉索长度577米,列世界第一;群桩基础平面尺寸113.75米×48.1米,列世界第一;该桥是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程……

众多第一背后是数不清的工程难题

苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州(常熟)市之间,是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道。大桥工程路线全长32.4公里,其中跨江大桥工程总长8206米,主桥为1088米双塔双索钢箱梁斜拉桥,专用航道桥为548米的T型钢构梁桥,大桥工程总投资约64.5亿元,计划建设工期为6年。

可是,闻所未闻的巨大数字背后却是大桥建设面临的无数难题:

一年中江面风力6级以上的天数179天,年平均降雨天数超过120天,雾天31天,还面临着台风、季风、龙卷风的威胁,气象条件极差。

江面宽6公里,主桥墩位处水深30多米,无风时浪高1~3米;每天两潮,潮差2~4米;桥位处水流速度常年在2.0米/秒以上,最大流速为4.47米/秒,水文条件极为复杂。

因为泥沙覆盖层厚、土性软弱、河床极易受到水流冲刷而变形,基岩深度在300米以下。

施工区域航运密度高,船舶吨位大。据估算,该区域平均日通过船只2300多艘;高峰时,日通过船只接近5000艘,航运与施工的安全矛盾尤为突出。

这还只是初步评估时的难题,工程一旦开工,如团如麻的问题还会接踵而至。怎么办?找同济大学桥梁、土木、交通专家去。

同济专家全面参与大会战

早在2000年,苏通大桥还处在工程可行性研究阶段,时任同济大学桥梁工程系主任的陈艾荣教授就协调和组织学校相关科研力量开始参与由中交公路规划设计院牵头的“苏通长江公路大桥工程可行性研究”,并兼任苏通大桥工程可行性研究副总负责人。2001年,课题组提交了最终研究报告,相关成果获得2002年全国优秀工程咨询成果一等奖。

同济大学在苏通大桥工程可行性研究阶段的积极参与和努力,奠定了大桥方案竞赛联合体中标的基础。2001年7~11月,在江苏省交通厅组织的苏通大桥设计方案招标中,中交公路规划设计院、江苏省交通规划设计院与同济大学建筑设计研究总院桥梁设计分院组成的联合体中标,陈艾荣担任苏通大桥设计副总负责人,同济大学开始全面、深入地参与苏通大桥工程设计和科学研究。

2002年初,同济大学桥梁工程系牵头,组织相关院系全面开始了苏通大桥科研立项的前期准备工作,成立了专门的苏通大桥科研工作组,项海帆和范立础两位中国工程院院士坐镇把关,系主任陈艾荣挂帅,各院系学术带头人担纲,学校科技处等行政部门积极组织、协调和运作。技术上的充分准备、科研上的强强联合、组织上的有力保障,让同济大学在苏通大桥科研项目立项过程中捷报频传,先后获得了阶段科研立项54项,研究经费达1672.6万元人民币。一场全方位服务苏通大桥科技工作的攻坚战役拉开大幕。

据不完全统计,同济大学直接参与苏通大桥科研工作的在职科研人员包括中国工程院院士4人、正高级职称65人、副高级职称76人、中级职称54人、博士和硕士研究生逾两百人。用“史无前例”来形容同济大学参与苏通大桥科研工作一点也不夸张。常务副校长李永盛介绍,苏通大桥是同济大学参与国内外同一工程建设投入人力、物力、财力最多,系统最庞大,组织协调最完善的一次。

强大的科研保证了大桥建设的顺利推进

无疑,苏通大桥科研的主力军是同济大学桥梁系。项海帆、范立础等老一辈桥梁人的求真务实、开拓创新精神滋养着新一代桥梁人锐意进取、顽强拼搏,使得学校苏通大桥科研捷报频频传来。

苏通大桥面临数不清的技术难题,难题首推千米级斜拉桥。同济大学桥梁系多个学科组参与的“苏通大桥建设关键技术研究”课题很快被科技部确立为“十一五”国家科技支撑计划重大研究专项。2003年开始,学科组针对千米级斜拉桥的设计标准与方法、集成施工技术、安全与减灾技术、施工与运营控制技术等进行深入的攻关,逐步形成了具有自主知识产权的千米级斜拉桥建设核心技术群。这些核心技术的取得让我国参与国际重大桥梁工程项目竞争的能力得到很大提升。

“苏通大桥是一个特大型桥梁工程,进行正确的抗震研究,确保其抗震安全性具有非常重要的意义。”这是“苏通大桥抗震性能研究”课题牵头人叶爱君在项目简介中说的话,课题组对斜拉桥工程场地的多点地震动输入参数、千米级斜拉桥的地震反应特性、地震易损性、抗震概念设计、减震机理和方法进行了大量测算、试验、分析,得出了多项开创性成果。

“索塔结构、群桩基础与土体共同作用的数值模拟分析”课题组通过地层模型的构建及力学参数的取值、索塔结构群桩基础与土体共同作用的三维力学建模分析、共同作用受力体系的模拟分析以及特殊情况下共同作用体系的模拟分析后认为,桩基采用“哑铃型”方案最为合理。

“风环境对行车安全的影响和对策研究”课题组针对强风多发区桥梁风致行车安全这一热点问题,以行车安全临界风速和桥面风环境研究为重点,获得了确保行车安全条件细分下的风速标准、静动力状态下不同车辆、路面和车速综合作用下确保行车安全的临界风速、桥面风致行车安全概率评估方法等一系列原创性成果。

徐伟主持的“苏通大桥主4#、5#钢吊箱结构复核”、“苏通大桥建设关键技术研究”提出了临时结构的荷载取值标准,得到了特大型钢吊箱结构的施工力学变化规律,解决了大型钢吊箱在急流强潮条件下安装的高精度定位难题,自流平混凝土技术成功实现大面积水下封底混凝土浇筑……

苏通大桥长达6年的建设中取得了包括“千米级斜拉桥结构体系”等13项世界级核心技术,其中1项获省部级科技进步特等奖、6项获得科技进步奖;申报了10多项专利。科技人员还完成了23项工法编制,其中6项被颁布为国家工法、9项为省级工法……“没有同济大学专家们的深入参与,这些都是不可能完成的任务。”大桥指挥部评价。

“拼搏,我们有了灿烂的笑容”

规模空前的大会战没有高度的协调性是不可想象的。

“高起点,高标准,高效率”,这是大桥指挥部负责人对同济大学科研团队的评价。“两个月一次的苏通大桥科研工作研讨会雷打不动,我们一直坚持到大桥科研任务全部完成。”研讨会协调人陈艾荣介绍。会上,各课题负责人将向院士顾问及其他课题主要参研人员汇报工作,并听取意见。“有时,意见是很尖锐的,但大家都明白‘良药苦口’的道理”,于是研究思路和步骤总能得到及时的调整,下一阶段的研究工作重点和难点总能很快清晰。更为重要的是,得益于各课题负责人间的沟通紧密性增强,不同课题组研究生之间的学术交流和讨论氛围也很快浓厚起来,“效果超出我们的预期。”

不仅如此,苏通大桥还为同济大学科研交流的升级提供了难得的机遇。业主、设计单位、建设单位、咨询审查单位……同济大学紧密地与大桥建设指挥部、中交公路规划设计院和江苏省交通规划设计院,甚至还涉及到了丹麦COWI公司,积极地沟通和配合,按时通报研究工作进展,邀请相关专家指导检查工作,多次到设计现场开展科研工作,积极配合初步设计阶段的方案比选和优化工作……这一切都极大地提高了大桥设计和科研工作的效率。“大家风范相当迷人。”参与大桥建设的专家们、管理人员纷纷对同济专家竖起大拇指。

2006年底,经过四年多的奋力拼搏,所有课题都已按工作大纲的要求,按时、按项、高质量地完成研究工作,顺利地通过了专家严格的评审,其中一些重大课题的专家鉴定结论为“总体达到国际先进水平,部分达到国际领先”。