[分享]每公里造價(jià)6億人民幣，嘉紹大橋堪稱百元大鈔鋪成

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(chuàng)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(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(qū)，是常臺(tái)高速公路（江蘇常熟-浙江臺(tái)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(shù)量、主橋長度規(guī)模位居世界靠前。

　?。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(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，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(nèi)。

　　錢塘江是通航河段，每天的貨運(yùn)船舶往來頻繁，耽擱不得。因此，為防止主槽擺動(dòng)對(duì)通航影響，必須要多預(yù)留出幾個(gè)主通航道，才能適應(yīng)河床主槽擺幅。即使一個(gè)航道堵住了，船舶也可以通過其它航道穿行。

　　為了對(duì)付湍急的江水，水中區(qū)引橋還大量采用了直徑高達(dá)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。

　?。ê贾轂成系膬勺髽?，左側(cè)為嘉紹大橋，右側(cè)為杭州灣跨海大橋）

　　目前，除了嘉紹大橋外，國內(nèi)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(dá)2680米，分出5個(gè)主通航道，索塔數(shù)量、主橋長度規(guī)模位居世界靠前。加上兩側(cè)的布索區(qū)，主橋總寬度達(dá)55.6米。

　　然而，多塔斜拉橋與常規(guī)斜拉橋結(jié)構(gòu)受力不同，由于中間塔兩側(cè)均無輔助墩和過渡墩，不能對(duì)主梁和索塔剛度提供有效幫助，并使結(jié)構(gòu)各個(gè)響應(yīng)的活載影響線幅度和范圍增大，各個(gè)構(gòu)件的活載效應(yīng)變大。因此，必須采取措施來提高主梁的豎向剛度。

　　為此，根據(jù)嘉紹大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)專家提出了索塔采用X形托架，并對(duì)主梁設(shè)置縱向雙排支座，將主梁和索塔之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)主梁的剛度也得到了顯著提高。

　?。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(duì)索塔及基礎(chǔ)的受力影響較大，傳統(tǒng)構(gòu)造無法適應(yīng)這種長主梁結(jié)構(gòu)體系和嘉紹大橋特殊的建設(shè)環(huán)境。

　　為科學(xué)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(shè)置剛性鉸裝置的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)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(gòu)造是在一側(cè)鋼箱梁內(nèi)部放置小箱梁，小箱梁固定在另一側(cè)鋼箱梁上，另一端自由。

　　剛性鉸釋放了主梁兩端的縱向相對(duì)線位移，約束主梁轉(zhuǎn)角和剪切位移，在滿足受力要求的同時(shí)又能確保行車的舒適性。

　　（剛性鉸結(jié)構(gòu)圖）

　?。ǘ┎煌ɡ鋮s水，如何給承臺(tái)降溫？

　　嘉紹大橋處于海洋環(huán)境，承臺(tái)為深埋式，對(duì)混凝土耐久性要求高。然而，主橋單個(gè)承臺(tái)的混凝土方量高達(dá)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)很容易開裂。在海洋環(huán)境中，混凝土產(chǎn)生裂縫意味著迅速的腐蝕，后果十分嚴(yán)重。

　　通常，大體積混凝土的溫控主要依靠在混凝土內(nèi)部大量布置冷卻水管來實(shí)現(xiàn)，通過冷卻水管利用循環(huán)水把混凝土水化產(chǎn)生的熱量攜帶出來。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(fù)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(dǎo)致管壁周圍的混凝土溫差過大，產(chǎn)生大量收縮裂紋，對(duì)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(jìn)行注漿。但后期的注漿無法壓實(shí)，這就存在影響混凝土耐久性能的薄弱環(huán)節(jié)，特別對(duì)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(nèi)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(tái)沒有采用傳統(tǒng)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(nèi)外溫差。另一方面，選用級(jí)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(jié)約水泥，降低混凝土的總水化熱和用水量。而且，使用連續(xù)集配的骨料也能夠增大混凝土的總強(qiáng)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，粉煤灰的摻量較大時(shí)對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，這就可以使用礦粉作為彌補(bǔ)。它也可降低水化熱，與粉煤灰比較還能提高早期強(qiáng)度。

　　終，承臺(tái)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(diào)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(dá)到了優(yōu)良的程度，抗裂性、抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕和抗凍性能都達(dá)標(biāo)。

　　再配合砂石骨料及泵車灑水降溫、拌合水加冰等措施，承臺(tái)的溫升很低，沒有產(chǎn)生溫度收縮裂縫。

　　為做到信息化施工，真實(shí)反映并檢驗(yàn)各層混凝土的溫控效果，混凝土澆筑過程中還在承臺(tái)的里里外外布置了許多溫度傳感器。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在混凝土澆筑 后立即進(jìn)行，連續(xù)不斷，直到溫度變化基本穩(wěn)定。

　　溫度檢測(cè)結(jié)果表明，各層混凝土的抗拉強(qiáng)度均大于同齡期降溫時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，具有較高的抗裂安全系數(shù)。

　?。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(cè)逐步進(jìn)行，終涉及到與兩側(cè)橋面的合龍。

　　在土木工程中，合龍意味著建造中細(xì)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(fù)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(dá)到設(shè)計(jì)合龍段長度。無論在何種溫度下只需根據(jù)合龍口寬度的不同變化頂推力即可，對(duì)環(huán)境條件基本無要求。采用幾何控制法進(jìn)行施工控制時(shí)，只需精確控制構(gòu)件的無應(yīng)力狀態(tài)即可。

　　采用這種方法將大橋合龍后，主梁線形平順且與設(shè)計(jì)理論線形十分吻合，實(shí)測(cè)線形與理論線形基本重合，誤差均在5厘米以內(nèi)，說明合龍指標(biāo)優(yōu)良，質(zhì)量完全達(dá)標(biāo)。

　　此外，幾何合龍法還可以保證合龍段的設(shè)計(jì)長度不發(fā)生改變，保證既定的合龍時(shí)間，這也為未來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(jié)語

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

　　但這項(xiàng)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(shí)縮短了至少一半，進(jìn)一步推進(jìn)了長三角地區(qū)一體化經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

　　作為世界上認(rèn)知度較高的標(biāo)簽，中國制造（Made in China）正尋求戰(zhàn)略升級(jí)?！噶瞬黄鸬闹袊圃臁箤?，力邀行業(yè)權(quán)威、資深玩家，呈現(xiàn)他們眼中的中國創(chuàng)新之路。