嘉绍桥刚性铰设计全过程总结幻灯片.pdf

嘉绍桥刚性铰设计全过程总结 1. 刚性铰的来源 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+5 ×428+200+70=2680m 的六塔斜拉桥，同时为了尽 可能降低阻水率，减少对水文环境的影响，适应涨落潮不断变化的水流方向， 同时降低下部结构的施工风险，索塔采用独柱形式。但是这种桥型布置和索塔 形式给上部结构设计带来了新的问题。新的问题之一是上部结构的总体刚度无 法很难满足活载引起的主梁最大变形必须小于L/400 （L 为主梁跨度）的硬性 规定，经过详细的研究，项目组提出了采用索塔纵向双排支座的创新结构体系。 但是这种创新结构体系加上超长的主梁长度2680m 和较短的下塔柱长度，带 来了另一个新的问题，即长主梁的温度变形使得最外侧塔柱的受力难以满足要 求，于是围绕着长主梁温度变形的影响控制措施，设计项目组展开了细致的方 案比较研究工作。 研究工作的第一步是探讨在索塔形式不变，主梁也是常规的连续结构，结 构是否有可行的可能。项目组进行了全面的尝试，包括增大塔柱尺寸、减小塔 柱尺寸、下塔柱采用双薄壁结构等等，结果均表明结构不能成立。在这个背景 下项目组大胆地提出了在主梁跨中设置刚性铰和伸缩缝的想法。采用刚性铰将 主梁在全桥在跨中的纵向相对自由度释放，而将其余相对自由度约束，既缓解 了主梁温度变形对外侧索塔受力的影响，又保证了桥面连续性。将刚性铰这种 结构体系应用到主航道桥的总体计算中，结果是令人振奋的：外侧索塔的受力 一下子缩减很多，索塔及其下部结构的设计压力降低了，其工程规模大大减小。 与另一推荐方案相比（灯笼型索塔方案），工程造价减少了八个多亿！ 但是新的问题又摆到了项目组的面前，在这种大型钢结构桥梁中应用刚性 铰构造目前在国内外都没有先例，如何完成这一新型结构的设计呢？ 2. 刚性铰构造的雏形 尽管国内外对在大型钢结构桥梁中使用刚性铰没有先例，但是公规院早在 几年前就已经进行过这方面的探索，研究这种释放纵向位移装置的构造细节， 这些研究成果构成了嘉绍大桥刚性铰构造的雏形： 1) 在单幅钢箱梁内部设置一个小整箱，小整箱固定到大箱梁上； 2) 小整箱和大箱梁之间通过滚轴支座连接。 按照上述思路建立了刚性铰的设计图纸初稿，并以此为基础进行深入的力 学分析。通过分析过程发现的一系列问题，对刚性铰初始设计进行大刀阔斧的 优化调整。 1) 设计发现采用小整箱对外部钢箱梁的削弱非常严重，同时由于仅有一 个整箱，支点少，局部应力集中非常严重。于是将一个整箱调整为两个小箱， 同时将小箱的外形由原来的矩形调整为近八边形，将外部大箱的横隔板设置加 腋倒角，改善了其受力。 2) 通过有限元分析发现无论外部大箱梁如何增大板厚，其顶底板局部应 力仍然非常集中，而且呈恶性循环趋势，经过苦苦思索，终于弄清了原因是： 刚性铰构造是将弯矩转换为剪力，因此这一区域的结构具有剪力较大的特点， 因此在刚性铰受力范围内设置了四道纵隔板来承受这部分剪力，这一处理果然 一举解决了顶底板局部应力较大的问题。 3) 对滚轴支座方案进行了深入的细化工作，重点是对全桥滚轴支座的同 步滑动性设计，以及滚轴支座的更换环节的考虑。 4) 提出了刚性铰局部维修和彻底维修的两阶段维修耐久性设计理念，局 部维修是对刚性铰支座进行更换维修，而彻底维修是对小箱梁进行拆除，并在 刚性铰尾部区域设置刚性铰维修区。 5) 详化了刚性铰伸缩缝构造的设计，刚性铰的采用也是对伸缩缝设计的 一次全新挑战，因为很少有伸缩缝设置在两侧主梁都是钢结构的情况中，这种 构造也是第一次出现在大跨桥梁中，项目组的设计人员，发挥设计创造性，一 举解决了这种钢与钢连接情况下的伸缩缝设计问题。 3. 初步设计审查对刚性铰构造的意见 3.1 初步设计审查意见 初步设计预审查阶段，专家对刚性铰提出意见如下：“主航道桥方案中的 刚性铰技术含量较高，设计、施工与养护难度较大，建议对刚性铰的构造处理、 受力和变形的影响因素、制造和安装工艺、养护维修等有关内容，建议作为专 题深化研究论证，完善该方案” 此外指挥部委托COWI 公司对刚性铰设计进行了咨询审查。COWI 的咨询 工作提出了一些建设性的意见，其中重要的几点是： 1) 发现刚性铰支座的转角变形可能会对滚轴支座的受力变形产生影响， 而且滚轴支座对刚性铰小箱梁局部应力较大；