多塔斜拉桥钢箱梁中设置刚性铰的分析

杜韬　张旭　赵李强

摘要：刚性铰的布置可以大幅度降低主梁和桥塔弯矩，降幅与各梁与塔之间的支撑形式以及斜拉索布置有关；局部合理的加劲板布置可以实现和保证刚性铰在钢箱梁中的稳定工作。文章以嘉绍大桥为例，分析了多塔斜拉桥钢箱梁中设置刚性铰的方案，以供参考。

关键词：多塔；斜拉桥；钢箱梁；设置刚性铰

引言

随着桥梁技术的不断革新，对桥梁的跨越能力及恶劣条件适应性要求越来越高，钢箱梁结构的主梁以其自重小、抗风稳定性好、抗扭刚度高、方便施工等优点在长大桥梁中被越来越多采用。然而由于长箱钢主梁结构温度变形对索塔及基础的受力影响大，传统主梁构造已经无法较好适应超大跨度的结构体系和一些特殊的建设环境。长主梁的温度变形问题已成为制约桥梁跨越能力提高的因素之一。为科学合理地解决长主梁温度变形问题，文章以嘉绍大桥项目为例，采用两幅主梁在全桥跨中处设刚性铰装置的创新性结构，并对其进行研究和实践。

1工程概况

嘉绍大桥位于浙江省的某特大型多塔斜拉桥。它北起嘉兴市海宁市，南接绍兴市上虞区，本桥为浙江省嘉兴至绍兴跨江公路通道中跨越钱塘江的一座特大型桥梁。是沈阳至海口高速公路中常台高速（G15w）的重要部分，是该高速公路跨越钱塘江的关键通道。此大桥北接嘉兴至苏州高速公路、沪杭高速公路、杭浦高速公路等通往上海和苏南地区，并通过建成的江阴长江大桥和苏通长江大桥连接苏北，是纵向连接长江三角洲南北两岸的重要通道，也是国家高速公路网中非常关键的一个节点。大桥的建设对于进一步完善我国干线公路网络，加快我国和浙江省高速公路网的建设，促进长江三角洲交通一体化等具有重要意义。

为科学合理地解决长主梁温度变形问题，嘉绍大桥采用两幅主梁在全桥跨中处设刚性铰装置的创新性结构体系。刚性铰释放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。刚性铰上方设有1360伸缩缝将主梁分为两联，每联为一个三塔斜拉桥。

2刚性铰设置方案

相对于国内外其它大跨斜拉桥，本多塔斜拉桥主桥及引桥主要有以下三大构造特点：

一是，嘉绍大桥所处的钱塘江水域具有特殊的建设条件，为适应河床摆幅的要求，主航道桥采用70+200+5x428+200+70=2680m的分幅式四索面六塔斜拉桥。由于钢箱梁长度大，主梁的温度变形对索塔及基础的受力影响大，传统构造无法适应这种多塔斜拉桥体系和嘉绍大桥特殊的建设环境。因此，为解决主梁在温度影响下的纵向变形问题，在主航道桥桥跨跨中安装了刚性铰装置。刚性铰装置的主要作用是释放主梁两端巨大的纵向相对位移，还可以约束主梁转角和剪切变形，既可以满足受力要求又可以保证行车的舒适性。刚性铰上方设置了伸缩缝从而将主梁一分为二，变成两联，每联为一个三塔斜拉桥。

二是，由于桥址区钱江涌潮是世界难得的自然奇观，为了不破坏这种自然景观，大桥结构的阻水面积需控制在5%以内。为此，结合阻水面积的要求及潮强流急、涌潮汹涌的实际水文状况，两岸位于水中的引桥部分的下部结构采用单桩独柱的结构形式。单桩独柱基础无承台施工工序，有效的规避了施工风险，降低结构阻水面积。

三是，为解决多塔斜拉桥整体竖向刚度小的问题，主航道桥主梁设计采用在索塔纵向两侧间距46m设置竖向支座，同时在各个索塔处设置“x”型托架。

3大桥跨中刚性铰结构

3.1大桥刚性铰结构的作用

本多塔斜拉桥主航道橋六塔七跨，为四索面斜拉桥，主梁形式为钢箱梁，总长达到了2680m。因其主梁较长，温度引起的纵向相对位移非常大，变形问题严重。为了确保桥梁结构的合理受力和结构整体安全，解决好温度变形问题就显得至关重要。为有效解决主航道桥在温度影响下的巨大变形所产生的问题，大桥在中塔之间的连间跨中位置设置了刚性铰装置，其构造如下：刚性铰使大桥在联间跨中位置一分为二，装置的基本构造是在一侧的钢箱梁梁内安装小箱梁，小箱梁一端固在外部钢箱梁上，另一端自由移动，其形式类似桌子中的抽屉一般。刚性铰装置的主要构件主要有以下几种：刚性铰小箱梁、小箱梁固定端、外部大箱梁以及安装于刚性铰小箱梁外侧的刚性铰特制竖向和侧向支座。

3.2刚性铰小箱梁构造

刚性铰分为J1、J2、J3类三个梁段类型（参见图1），每个梁段均包含左右两幅箱梁和一个箱形横梁。J1类类梁段包括小箱梁固定端以及箱形横梁等相关结构构造；J2类梁段包括刚性铰小箱梁、小箱梁外套大箱梁以及箱形横梁等构造；小箱梁的检修区在J3类梁段。J1和J3类梁段的单幅梁段两侧腹板还设有斜拉索锚箱，J2类梁段为Z5和Z6塔之间的合龙梁段。为分散刚性铰受力，单幅桥的外套箱梁内部设有横向对称的两个小箱梁，中心间距7.9m。分离的两个小箱也有利于刚性铰的整体抗扭。小箱梁位于12类梁段，全长10.8m，梁高2.0m，一端通过高强螺栓固定在固定端大箱梁横隔板上，另一端自由。小箱梁断面形状为近八边形。小箱梁两端受力点处四周与大箱梁之间设置支座，其中顶底板各两个，侧向各一个。顶底板支座处小箱梁内各设置5道间距375mm的横隔板，小箱梁跨中处设置一道横隔板。加劲肋在支座横隔板处断开，以保证支座横隔板的整体受力。小箱梁将固定端梁段的竖向弯矩、横向弯矩以及扭矩转换成四周支座反力并传递给外套大箱梁，以实现力的传递。小箱梁两端支座中心纵向间距为8.0m。

3.3小箱梁固定端构造

刚性铰小箱梁固定端构造位于J1类梁段，其作用是把小箱梁根部的弯矩和剪力传递到大箱梁项底板上。构造设计的主要思路是将小箱梁的主要受力板件（即顶底板及腹板）延伸至固定端大箱梁内部，小箱梁延伸段内侧设置三角形加劲板与小箱梁加劲肋对应，同时在小箱梁延伸段的顶底板外侧设置梯形加劲板并与大箱梁顶底板相连。腹板外侧设置梯形加劲板并与固定端大箱梁纵隔板相连，这样小箱梁顶底腹板的应力通过加劲板和纵隔板可顺利传递到大箱梁顶底板，同时又能保证小箱梁和大箱梁刚度顺利过渡。此外，刚性铰小箱梁与外套大箱梁之间的相对滑动通过设置刚性铰特殊支座来完成。

4刚性铰方案效果及评价

设置于钢箱梁内的刚性铰应力集中现象明显，合理的板件布置是保证刚性铰正常工作的关键。对于多塔斜拉桥等多跨长联超静定桥梁结构，设置刚性铰可使得主梁轴力明显降低；当主梁与桥墩固结或约束刚度较大时，主梁和桥塔弯矩会明显降低，当主梁与桥墩铰接或约束刚度较小时，主梁和桥塔弯矩不会有明显影响。嘉绍大桥中设置刚性铰，主梁支座位置处弯矩最大降幅发生在次边塔与主梁的连接位置；边主塔和次边塔的索塔弯矩降幅明显，与主梁直接设置水平约束的次边塔塔底截面降幅最突出。嘉绍大桥中刚性铰局部结构的危险位置位于活动端大箱梁支座附近和小箱梁支座附近。在滑动端支座附近设置双片加密型横隔板及加劲板、在小箱梁支座附近设置5片加密型横隔板，可以保证支座承力板将竖向力有效传递。且刚性铰的滑动对其自身受力的影响是微小且平稳的。

结束语

综上所述，分幅式多塔斜拉桥刚性铰安装工法为我国桥梁建设施工提供了大量技术数据和宝贵资料。同时，其中的新理念，新技术，新工艺，具有很高的科技含量，它在嘉绍大桥的成功实施，将有助于推广刚性铰结构在超长钢箱梁斜拉桥方面的应用，提升我国建桥水平。并为今后其它类拟项目的施工方案选择、施工过程控制及施工管理提供宝贵的经验。