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      1. [分享]每公里造價6億人民幣,嘉紹大橋堪稱百元大鈔鋪成

        2018-08-23 14:13

        我們常見的斜拉橋,索塔多也多不過三座,而嘉紹大橋則首創六塔斜拉橋方案。而且,在沒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,解決了混凝土開裂帶來的大橋使用壽命問題。此外,嘉紹大橋共有7個合龍口,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,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、寬的多塔斜拉橋,索塔數量、主橋長度規模位居世界靠前。

          

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         ?。谓B大橋——多塔斜拉橋)

         ?。ㄒ唬┻@是一座前無古人的六塔斜拉橋

          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,造價低;通航橋段的跨度大,造價高。一般的大橋只會留出一個通航河段,可是為什么嘉紹大橋要搞出一個六塔斜拉橋,留出六個通航河段呢?

          原來,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,幅度在1——3.3公里范圍內。

          錢塘江是通航河段,每天的貨運船舶往來頻繁,耽擱不得。因此,為防止主槽擺動對通航影響,必須要多預留出幾個主通航道,才能適應河床主槽擺幅。即使一個航道堵住了,船舶也可以通過其它航道穿行。

          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題,也較大限度減少阻水面積。

          

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         ?。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。這使主橋長度達2680米,分出5個主通航道,索塔數量、主橋長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輔助墩和過渡墩,不能對主梁和索塔剛度提供有效幫助,并使結構各個響應的活載影響線幅度和范圍增大,各個構件的活載效應變大。因此,必須采取措施來提高主梁的豎向剛度。

          為此,根據嘉紹大橋的結構特點,技術專家提出了索塔采用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自由度加以約束來改善多塔斜拉橋受力。這樣一來,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,同時主梁的剛度也得到了顯著提高。

          

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         ?。ㄖ髁嚎v向雙排支座)

          嘉紹大橋的跨度過長,因此主橋鋼箱梁長度大,主梁的溫度變形對索塔及基礎的受力影響較大,傳統構造無法適應這種長主梁結構體系和嘉紹大橋特殊的建設環境。

          為科學合理的解決長主梁的溫度變形問題,工程采用在全橋跨中設置剛性鉸裝置的創新結構體系,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,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位移,約束主梁轉角和剪切位移,在滿足受力要求的同時又能確保行車的舒適性。

          

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         ?。▌傂糟q結構圖)

         ?。ǘ┎煌ɡ鋮s水,如何給承臺降溫?

          嘉紹大橋處于海洋環境,承臺為深埋式,對混凝土耐久性要求高。然而,主橋單個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。

          

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         ?。谓B大橋夜景)

          大體積混凝土的水化熱不容易散失,在受到外部約束時很容易開裂。在海洋環境中,混凝土產生裂縫意味著迅速的腐蝕,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實現,通過冷卻水管利用循環水把混凝土水化產生的熱量攜帶出來。這種溫控方法在某種意義上確實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。水溫過高、流量過慢,沒有降溫效果;水溫過低、流速過快,則極易導致管壁周圍的混凝土溫差過大,產生大量收縮裂紋,對混凝土帶來不利影響。

          此外,在后期,冷卻水管中不能留下空腔,也要進行注漿。但后期的注漿無法壓實,這就存在影響混凝土耐久性能的薄弱環節,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入混凝土內部引發鋼筋銹蝕。

          

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         ?。ɑ炷龄摻罨\中的冷卻水管)

          因此,嘉紹大橋的承臺沒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,選用發熱量低的水泥,降低總水化熱,進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,提高混凝土的密實性,進而節約水泥,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質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,粉煤灰的摻量較大時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%的各類礦物摻合料,只用了23%的水泥,而通過巧妙地調整材料配比與澆筑方案,終,混凝土的長期性能和耐久性能都達到了優良的程度,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灑水降溫、拌合水加冰等措施,承臺的溫升很低,沒有產生溫度收縮裂縫。

          為做到信息化施工,真實反映并檢驗各層混凝土的溫控效果,混凝土澆筑過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產生的拉應力,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行,終涉及到與兩側橋面的合龍。

          在土木工程中,合龍意味著建造中細小的誤差會被放大,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,就是通過施加頂推力,使合龍口寬度達到設計合龍段長度。無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,對環境條件基本無要求。采用幾何控制法進行施工控制時,只需精確控制構件的無應力狀態即可。

          采用這種方法將大橋合龍后,主梁線形平順且與設計理論線形十分吻合,實測線形與理論線形基本重合,誤差均在5厘米以內,說明合龍指標優良,質量完全達標。

          此外,幾何合龍法還可以保證合龍段的設計長度不發生改變,保證既定的合龍時間,這也為未來的斜拉橋合龍控制提供了借鑒。

          

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         ?。ê淆堉械恼`差極小,理論與實際吻合程度高)

          結語

          嘉紹跨江通道總造價約139億元,大橋部分投資達63.5億元。平均下來,每公里大橋造價6億元,整座大橋相當于用百元大鈔鋪成。

          但這項投資是完全值得的。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路連接起來,紹興到上海的車程將由原來的3小時縮短了至少一半,進一步推進了長三角地區一體化經濟社會發展。

          作為世界上認知度較高的標簽,中國制造(Made in China)正尋求戰略升級?!噶瞬黄鸬闹袊圃臁箤?,力邀行業權威、資深玩家,呈現他們眼中的中國創新之路。


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