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[分享]每公里造价6亿人民币,嘉绍大桥堪称百元大钞铺成
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发表时间:2018-08-23 14:13

我们常见的斜拉桥,索塔多也多不过三座,而嘉绍大桥则首创六塔斜拉桥方案。而且,在没有使用冷却水管的情况下,嘉绍大桥从材料入手降低混凝土的水化热,解决了混凝土开裂带来的大桥使用寿命问题。此外,嘉绍大桥共有7个合龙口,工程师探索出了一种新的合龙方案——几何合龙法。

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士


  提到杭州湾上的跨海工程,许多人首先想到的便是杭州湾跨海大桥。其实,杭州湾大桥上游同样有一座横跨杭州湾的大桥,它就是嘉绍大桥。

  它北起嘉兴市海宁市,南接绍兴市上虞区,是常台高速公路(江苏常熟-浙江台州)的组成部分。虽然在长度上,它只有杭州湾大桥的三分之一,但嘉绍大桥是世界上长、宽的多塔斜拉桥,索塔数量、主桥长度规模位居世界靠前。

  

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  (嘉绍大桥——多塔斜拉桥)

  (一)这是一座前无古人的六塔斜拉桥

  一座大桥的修建,必定将江面分为通航河段和不通航河段。其中,不通航的桥段跨度小,造价低;通航桥段的跨度大,造价高。一般的大桥只会留出一个通航河段,可是为什么嘉绍大桥要搞出一个六塔斜拉桥,留出六个通航河段呢?

  原来,嘉绍大桥的选址位于杭州湾跨海大桥的上游,这里的水面宽度远远窄于下游的杭州湾跨海大桥,加之水浅,因此水流也更加湍急。这里还恰好处于江海交汇处,潮强流急、含沙量大,河段河床为粉质沙土,极易冲刷,冲淤变化剧烈。这使得这里的主航道频繁变动,幅度在1——3.3公里范围内。

  钱塘江是通航河段,每天的货运船舶往来频繁,耽搁不得。因此,为防止主槽摆动对通航影响,必须要多预留出几个主通航道,才能适应河床主槽摆幅。即使一个航道堵住了,船舶也可以通过其它航道穿行。

  为了对付湍急的江水,水中区引桥还大量采用了直径高达3.8米的世界较大直径钻孔桩,既解决了受重力的问题,也较大限度减少阻水面积。

  

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  (杭州湾上的两座大桥,左侧为嘉绍大桥,右侧为杭州湾跨海大桥)

  目前,除了嘉绍大桥外,国内外修建的多塔斜拉桥多为3塔,而嘉绍大桥则采用了6塔斜拉桥方案。这使主桥长度达2680米,分出5个主通航道,索塔数量、主桥长度规模位居世界靠前。加上两侧的布索区,主桥总宽度达55.6米。

  然而,多塔斜拉桥与常规斜拉桥结构受力不同,由于中间塔两侧均无辅助墩和过渡墩,不能对主梁和索塔刚度提供有效帮助,并使结构各个响应的活载影响线幅度和范围增大,各个构件的活载效应变大。因此,必须采取措施来提高主梁的竖向刚度。

  为此,根据嘉绍大桥的结构特点,技术专家提出了索塔采用X形托架,并对主梁设置纵向双排支座,将主梁和索塔之间的相对转动自由度加以约束来改善多塔斜拉桥受力。这样一来,由主梁传递到上塔柱的荷载比例下降了,因此,上塔柱的受力可得到缓解,同时主梁的刚度也得到了显著提高。

  

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  (主梁纵向双排支座)

  嘉绍大桥的跨度过长,因此主桥钢箱梁长度大,主梁的温度变形对索塔及基础的受力影响较大,传统构造无法适应这种长主梁结构体系和嘉绍大桥特殊的建设环境。

  为科学合理的解决长主梁的温度变形问题,工程采用在全桥跨中设置刚性铰装置的创新结构体系,这种结构在世界范围内都是与众不同的。所谓刚性铰,就是将在钢箱梁跨中位置断开,其基本构造是在一侧钢箱梁内部放置小箱梁,小箱梁固定在另一侧钢箱梁上,另一端自由。

  刚性铰释放了主梁两端的纵向相对线位移,约束主梁转角和剪切位移,在满足受力要求的同时又能确保行车的舒适性。

  

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  (刚性铰结构图)

  (二)不通冷却水,如何给承台降温?

  嘉绍大桥处于海洋环境,承台为深埋式,对混凝土耐久性要求高。然而,主桥单个承台的混凝土方量高达8000立方米,属于典型的大体积混凝土。

  

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  (嘉绍大桥夜景)

  大体积混凝土的水化热不容易散失,在受到外部约束时很容易开裂。在海洋环境中,混凝土产生裂缝意味着迅速的腐蚀,后果十分严重。

  通常,大体积混凝土的温控主要依靠在混凝土内部大量布置冷却水管来实现,通过冷却水管利用循环水把混凝土水化产生的热量携带出来。这种温控方法在某种意义上确实起到了一定程度的降温效果,但存在许多弊端。

  冷却水管中的冷却水水温、流量控制复杂。水温过高、流量过慢,没有降温效果;水温过低、流速过快,则极易导致管壁周围的混凝土温差过大,产生大量收缩裂纹,对混凝土带来不利影响。

  此外,在后期,冷却水管中不能留下空腔,也要进行注浆。但后期的注浆无法压实,这就存在影响混凝土耐久性能的薄弱环节,特别对于海工高性能混凝土,有害离子很容易以注浆水管为通路进入混凝土内部引发钢筋锈蚀。

  

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  (混凝土钢筋笼中的冷却水管)

  因此,嘉绍大桥的承台没有采用传统的水管冷却法,而是从材料入手降低水化热。

  一方面,选用发热量低的水泥,降低总水化热,进而减小混凝土内外温差。另一方面,选用级配好、空隙率小的集料,这样可以提高骨料在混凝土中所占的体积,提高混凝土的密实性,进而节约水泥,降低混凝土的总水化热和用水量。而且,使用连续集配的骨料也能够增大混凝土的总强度,提高混凝土本身的抗裂能力。

  后,嘉绍大桥还使用大量的优质粉煤灰和矿粉作为掺合料。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,取代水泥降低水化热。不过,粉煤灰的掺量较大时对早期强度影响较大,这就可以使用矿粉作为弥补。它也可降低水化热,与粉煤灰比较还能提高早期强度。

  终,承台的混凝土中使用了77%的各类矿物掺合料,只用了23%的水泥,而通过巧妙地调整材料配比与浇筑方案,终,混凝土的长期性能和耐久性能都达到了优良的程度,抗裂性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀和抗冻性能都达标。

  再配合砂石骨料及泵车洒水降温、拌合水加冰等措施,承台的温升很低,没有产生温度收缩裂缝。

  为做到信息化施工,真实反映并检验各层混凝土的温控效果,混凝土浇筑过程中还在承台的里里外外布置了许多温度传感器。各项监测项目在混凝土浇筑 后立即进行,连续不断,直到温度变化基本稳定。

  温度检测结果表明,各层混凝土的抗拉强度均大于同龄期降温时产生的拉应力,具有较高的抗裂安全系数。

  (三)嘉绍大桥是如何合龙的?

  斜拉桥的施工需要由中间到两侧逐步进行,终涉及到与两侧桥面的合龙。

  在土木工程中,合龙意味着建造中细小的误差会被放大,因此误差控制难度很高。而嘉绍大桥主航道桥是世界上首座六塔、双幅、空间四索面斜拉桥,全桥共有7个合龙口,合龙方案极为复杂。

  人们探索出了一种新的合龙方案——几何合龙法。

  

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  (斜拉桥的合龙)

  所谓几何合龙法,就是通过施加顶推力,使合龙口宽度达到设计合龙段长度。无论在何种温度下只需根据合龙口宽度的不同变化顶推力即可,对环境条件基本无要求。采用几何控制法进行施工控制时,只需精确控制构件的无应力状态即可。

  采用这种方法将大桥合龙后,主梁线形平顺且与设计理论线形十分吻合,实测线形与理论线形基本重合,误差均在5厘米以内,说明合龙指标优良,质量完全达标。

  此外,几何合龙法还可以保证合龙段的设计长度不发生改变,保证既定的合龙时间,这也为未来的斜拉桥合龙控制提供了借鉴。

  

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  (合龙中的误差极小,理论与实际吻合程度高)

  结语

  嘉绍跨江通道总造价约139亿元,大桥部分投资达63.5亿元。平均下来,每公里大桥造价6亿元,整座大桥相当于用百元大钞铺成。

  但这项投资是完全值得的。大桥建成后,将沪杭高速、乍嘉苏高速、杭浦高速、杭甬高速和上三高速等线路连接起来,绍兴到上海的车程将由原来的3小时缩短了至少一半,进一步推进了长三角地区一体化经济社会发展。

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