我們常見(jiàn)的斜拉橋,索塔多也多不過(guò)三座,而嘉紹大橋則首創(chuàng )六塔斜拉橋方案。而且,在沒(méi)有使用冷卻水管的情況下,嘉紹大橋從材料入手降低混凝土的水化熱,解決了混凝土開(kāi)裂帶來(lái)的大橋使用壽命問(wèn)題。此外,嘉紹大橋共有7個(gè)合龍口,工程師探索出了一種新的合龍方案——幾何合龍法。
作者| 須臾千秋,清華大學(xué)土木工程博士
提到杭州灣上的跨海工程,許多人首先想到的便是杭州灣跨海大橋。其實(shí),杭州灣大橋上游同樣有一座橫跨杭州灣的大橋,它就是嘉紹大橋。
它北起嘉興市海寧市,南接紹興市上虞區,是常臺高速公路(江蘇常熟-浙江臺州)的組成部分。雖然在長(cháng)度上,它只有杭州灣大橋的三分之一,但嘉紹大橋是世界上長(cháng)、寬的多塔斜拉橋,索塔數量、主橋長(cháng)度規模位居世界靠前。
?。谓B大橋——多塔斜拉橋)
?。ㄒ唬┻@是一座的六塔斜拉橋
一座大橋的修建,必定將江面分為通航河段和不通航河段。其中,不通航的橋段跨度小,造價(jià)低;通航橋段的跨度大,造價(jià)高。一般的大橋只會(huì )留出一個(gè)通航河段,可是為什么嘉紹大橋要搞出一個(gè)六塔斜拉橋,留出六個(gè)通航河段呢?
原來(lái),嘉紹大橋的選址位于杭州灣跨海大橋的上游,這里的水面寬度遠遠窄于下游的杭州灣跨海大橋,加之水淺,因此水流也更加湍急。這里還恰好處于江海交匯處,潮強流急、含沙量大,河段河床為粉質(zhì)沙土,極易沖刷,沖淤變化劇烈。這使得這里的主航道頻繁變動(dòng),幅度在1——3.3公里范圍內。
錢(qián)塘江是通航河段,每天的貨運船舶往來(lái)頻繁,耽擱不得。因此,為防止主槽擺動(dòng)對通航影響,必須要多預留出幾個(gè)主通航道,才能適應河床主槽擺幅。即使一個(gè)航道堵住了,船舶也可以通過(guò)其它航道穿行。
為了對付湍急的江水,水中區引橋還大量采用了直徑高達3.8米的世界較大直徑鉆孔樁,既解決了受重力的問(wèn)題,也較大限度減少阻水面積。
?。ê贾轂成系膬勺髽?,左側為嘉紹大橋,右側為杭州灣跨海大橋)
目前,除了嘉紹大橋外,國內外修建的多塔斜拉橋多為3塔,而嘉紹大橋則采用了6塔斜拉橋方案。這使主橋長(cháng)度達2680米,分出5個(gè)主通航道,索塔數量、主橋長(cháng)度規模位居世界靠前。加上兩側的布索區,主橋總寬度達55.6米。
然而,多塔斜拉橋與常規斜拉橋結構受力不同,由于中間塔兩側均無(wú)輔助墩和過(guò)渡墩,不能對主梁和索塔剛度提供有效幫助,并使結構各個(gè)響應的活載影響線(xiàn)幅度和范圍增大,各個(gè)構件的活載效應變大。因此,必須采取措施來(lái)提高主梁的豎向剛度。
為此,根據嘉紹大橋的結構特點(diǎn),技術(shù)專(zhuān)家提出了索塔采用X形托架,并對主梁設置縱向雙排支座,將主梁和索塔之間的相對轉動(dòng)自由度加以約束來(lái)改善多塔斜拉橋受力。這樣一來(lái),由主梁傳遞到上塔柱的荷載比例下降了,因此,上塔柱的受力可得到緩解,同時(shí)主梁的剛度也得到了顯著(zhù)提高。
?。ㄖ髁嚎v向雙排支座)
嘉紹大橋的跨度過(guò)長(cháng),因此主橋鋼箱梁長(cháng)度大,主梁的溫度變形對索塔及基礎的受力影響較大,傳統構造無(wú)法適應這種長(cháng)主梁結構體系和嘉紹大橋特殊的建設環(huán)境。
為科學(xué)合理的解決長(cháng)主梁的溫度變形問(wèn)題,工程采用在全橋跨中設置剛性鉸裝置的創(chuàng )新結構體系,這種結構在世界范圍內都是與眾不同的。所謂剛性鉸,就是將在鋼箱梁跨中位置斷開(kāi),其基本構造是在一側鋼箱梁內部放置小箱梁,小箱梁固定在另一側鋼箱梁上,另一端自由。
剛性鉸釋放了主梁兩端的縱向相對線(xiàn)位移,約束主梁轉角和剪切位移,在滿(mǎn)足受力要求的同時(shí)又能確保行車(chē)的舒適性。
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?。ǘ┎煌ɡ鋮s水,如何給承臺降溫?
嘉紹大橋處于海洋環(huán)境,承臺為深埋式,對混凝土耐久性要求高。然而,主橋單個(gè)承臺的混凝土方量高達8000立方米,屬于典型的大體積混凝土。
?。谓B大橋夜景)
大體積混凝土的水化熱不容易散失,在受到外部約束時(shí)很容易開(kāi)裂。在海洋環(huán)境中,混凝土產(chǎn)生裂縫意味著(zhù)迅速的腐蝕,后果十分嚴重。
通常,大體積混凝土的溫控主要依靠在混凝土內部大量布置冷卻水管來(lái)實(shí)現,通過(guò)冷卻水管利用循環(huán)水把混凝土水化產(chǎn)生的熱量攜帶出來(lái)。這種溫控方法在某種意義上確實(shí)起到了一定程度的降溫效果,但存在許多弊端。
冷卻水管中的冷卻水水溫、流量控制復雜。水溫過(guò)高、流量過(guò)慢,沒(méi)有降溫效果;水溫過(guò)低、流速過(guò)快,則極易導致管壁周?chē)幕炷翜夭钸^(guò)大,產(chǎn)生大量收縮裂紋,對混凝土帶來(lái)不利影響。
此外,在后期,冷卻水管中不能留下空腔,也要進(jìn)行注漿。但后期的注漿無(wú)法壓實(shí),這就存在影響混凝土耐久性能的薄弱環(huán)節,特別對于海工高性能混凝土,有害離子很容易以注漿水管為通路進(jìn)入混凝土內部引發(fā)鋼筋銹蝕。
?。ɑ炷龄摻罨\中的冷卻水管)
因此,嘉紹大橋的承臺沒(méi)有采用傳統的水管冷卻法,而是從材料入手降低水化熱。
一方面,選用發(fā)熱量低的水泥,降低總水化熱,進(jìn)而減小混凝土內外溫差。另一方面,選用級配好、空隙率小的集料,這樣可以提高骨料在混凝土中所占的體積,提高混凝土的密實(shí)性,進(jìn)而節約水泥,降低混凝土的總水化熱和用水量。而且,使用連續集配的骨料也能夠增大混凝土的總強度,提高混凝土本身的抗裂能力。
后,嘉紹大橋還使用大量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰和礦粉作為摻合料。粉煤灰可提高混凝土的和易性,大大改善混凝土的工作性能和耐久性,取代水泥降低水化熱。不過(guò),粉煤灰的摻量較大時(shí)對早期強度影響較大,這就可以使用礦粉作為彌補。它也可降低水化熱,與粉煤灰比較還能提高早期強度。
終,承臺的混凝土中使用了77%的各類(lèi)礦物摻合料,只用了23%的水泥,而通過(guò)巧妙地調整材料配比與澆筑方案,終,混凝土的長(cháng)期性能和耐久性能都達到了優(yōu)良的程度,抗裂性、抗滲性、抗硫酸鹽侵蝕和抗凍性能都達標。
再配合砂石骨料及泵車(chē)灑水降溫、拌合水加冰等措施,承臺的溫升很低,沒(méi)有產(chǎn)生溫度收縮裂縫。
為做到信息化施工,真實(shí)反映并檢驗各層混凝土的溫控效果,混凝土澆筑過(guò)程中還在承臺的里里外外布置了許多溫度傳感器。各項監測項目在混凝土澆筑 后立即進(jìn)行,連續不斷,直到溫度變化基本穩定。
溫度檢測結果表明,各層混凝土的抗拉強度均大于同齡期降溫時(shí)產(chǎn)生的拉應力,具有較高的抗裂安全系數。
?。ㄈ┘谓B大橋是如何合龍的?
斜拉橋的施工需要由中間到兩側逐步進(jìn)行,終涉及到與兩側橋面的合龍。
在土木工程中,合龍意味著(zhù)建造中細小的誤差會(huì )被放大,因此誤差控制難度很高。而嘉紹大橋主航道橋是世界上首座六塔、雙幅、空間四索面斜拉橋,全橋共有7個(gè)合龍口,合龍方案極為復雜。
人們探索出了一種新的合龍方案——幾何合龍法。
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所謂幾何合龍法,就是通過(guò)施加頂推力,使合龍口寬度達到設計合龍段長(cháng)度。無(wú)論在何種溫度下只需根據合龍口寬度的不同變化頂推力即可,對環(huán)境條件基本無(wú)要求。采用幾何控制法進(jìn)行施工控制時(shí),只需精確控制構件的無(wú)應力狀態(tài)即可。
采用這種方法將大橋合龍后,主梁線(xiàn)形平順且與設計理論線(xiàn)形十分吻合,實(shí)測線(xiàn)形與理論線(xiàn)形基本重合,誤差均在5厘米以?xún)?,說(shuō)明合龍指標優(yōu)良,質(zhì)量達標。
此外,幾何合龍法還可以保證合龍段的設計長(cháng)度不發(fā)生改變,保證既定的合龍時(shí)間,這也為未來(lái)的斜拉橋合龍控制提供了借鑒。
?。ê淆堉械恼`差極小,理論與實(shí)際吻合程度高)
結語(yǔ)
嘉紹跨江通道總造價(jià)約139億元,大橋部分投資達63.5億元。平均下來(lái),每公里大橋造價(jià)6億元,整座大橋相當于用百元大鈔鋪成。
但這項投資是值得的。大橋建成后,將滬杭高速、乍嘉蘇高速、杭浦高速、杭甬高速和上三高速等線(xiàn)路連接起來(lái),紹興到上海的車(chē)程將由原來(lái)的3小時(shí)縮短了少一半,進(jìn)一步推進(jìn)了長(cháng)三角地區一體化經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展。
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