多塔斜拉橋——嘉紹大橋

2021-01-13 騰訊網

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當一座城市邁入發展新徵程的時候,總有一座具有精神旗幟和時代象徵意義的偉大建築作為地標引領前行的方向,嘉紹大橋便是紹興的地標。

它是中國浙江省境內連接嘉興市與紹興市上虞區的過江通道,位於浙江省杭州灣海域內,是常臺高速公路(國家高速G15W)的組成部分。

設計方:中交公路規劃設計院

建設時間:大橋於2008年12月14日動工興建,2013年2月3日全橋合龍貫通。2013年7月19日通車運營。

重要意義:嘉紹大橋是繼杭州灣跨海大橋後,又一座橫跨杭州灣的大橋,加上錢江隧道,錢江喇叭口呈現出「一灣三橋」的格局,終端均北指上海。

嘉紹大橋南起沽渚樞紐,跨越杭州灣,北至南湖樞紐,全長10.137千米;橋面為雙向八車道高速公路,設計速度為100千米/小時;項目投資額62.8億元人民幣。在世界排名前10位的跨海長橋中,嘉紹大橋佔據一席之地。

六塔斜拉橋——一座建在「最不適宜建橋地方」的世界級大橋

嘉紹大橋是世界上第一次在強湧潮區建橋,沒有先例。當時國內、國際橋梁界都認為,嘉紹大橋是在「最不適宜建橋的地方建橋」。為保護舉世無雙的錢江大潮,建設者們將整座大橋阻水比降至5%以下,而同類橋梁一般在10%。

為完成目標任務,建設者們為此開展了多項結構創新,採用了主航道橋六塔獨柱雙幅四索麵鋼箱梁斜拉結構、取消水中區引橋承臺、大規模採用3.8米大直徑深樁、大直徑樁柱一體化橋墩等獨特結構,是當時世界橋梁建設的最高水平。

目前,除了嘉紹大橋外,國內外修建的多塔斜拉橋最多為3塔,而嘉紹大橋則採用了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第一。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,由於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,並使結構各個響應的活載影響線幅度和範圍增大,各個構件的活載效應變大。因此,必須採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採用X形託架,並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。

主梁縱向雙排支座

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,工程採用在全橋跨中設置剛性鉸裝置的創新結構體系,這種結構在世界範圍內都是獨一無二的。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。

剛性鉸結構圖

建設期間,建設者克服水文地質氣候條件複雜、施工自然環境惡劣、工程結構技術難度高等挑戰,成功攻克了世界首創的剛性鉸製造安裝、強湧潮作業環境8萬噸鋼箱梁運吊、150根3.8米大直徑樁柱一體化橋墩等等多項施工難題,《嘉紹大橋關鍵技術研究》等6項科研項目列入部、省科研計劃,研究成果達到國際領先水平。施工中還對大橋結構體系、材料、工藝、施工工法等都進行了不間斷創新,共取得發明專利49項,創新工法14項,許多成果在國內其他同類橋梁建設中得到應用。

圖片來源/視覺中國

嘉紹大橋是如何合龍的?

斜拉橋的施工需要由中間到兩側逐步進行,最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、空間四索麵斜拉橋,全橋共有7個合龍口,合龍方案極為複雜。

人們探索出了一種新的合龍方案——幾何合龍法。

斜拉橋的合龍

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。採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。

採用這種方法將大橋合龍後,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釐米以內,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鑑。

合龍中的誤差極小,理論與實際吻合程度高

推動社會經濟發展的「黃金橋」

一橋飛架南北天塹變通途,在長三角咽喉位置的嘉紹大橋聯通起兩岸乍嘉蘇、上三、紹諸、杭浦、杭甬、滬杭等六條高速公路,長三角地區陸路交通格局發生質的變化,紹興至上海比原先所耗費行車時間減少一半。南岸紹興濱海新區成為浙江大灣區「四大新區」之一,新能源新材料、高端裝備製造、生命健康等戰略性新興產業加速集聚,引領紹興未來產業發展方向。

浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司黨委書記、董事長張永春:「紹興交通區位優勢更為凸顯,為紹興全面實施融杭聯甬接滬區域發展戰略,融入大灣區,提升城市能級和核心競爭力、推動高質量發展增添了高速引擎。」

收穫滿滿的「榮譽橋」

嘉紹大橋先後榮膺全國五一勞動獎狀、錢江杯、中國公路學會科學技術獎特等獎、國際橋梁大會古斯塔夫·林登少獎、國際路聯傑出工程設計大獎、國際諮詢工程師聯合會工程項目特別優秀獎「菲迪克獎」等榮譽,體現了嘉紹大橋的創新、高質量和傑出的專業水平。

大橋的文化底蘊

嘉紹大橋的設計中還包含了很多中國文化,如「嘉紹大橋」四個字出自魯迅的手稿,古樸厚重契合了大橋的風格,大橋上的6根塔柱外形是綜合了毛筆和寶劍的外形。在晚上燈光的變幻下,塔柱可以變化成兩種形象:像一把倒立的寶劍或是插入水中的毛筆。嘉紹大橋的建設理念體現了自然、人文和科技創新的完美融合。

素材來源:南湖晚報、越牛新聞 、網易新聞/作者 須臾千秋,清華大學土木工程博士

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