土木工程学报

本文系西南交大桥梁（id:xnjdqlx)授权转载，作者:李乔

作者简介

李乔，西南交通大学教授，博士生导师，茅以升桥梁研究所所长，在中国公路学会桥梁分会等学术组织任常务理事或理事，在土木工程学报等重要学术期刊任编委会委员。

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多塔斜拉桥与嘉绍大桥

斜拉桥一般多为双塔或者独塔形式，但有时由于各种条件的限制和功能的需求，需要设计成多塔斜拉桥。与双塔或者独塔斜拉桥相比，多塔斜拉桥有很多相似之处，但也有很多特殊之处，例如：中间各塔（立面上看，除两边塔之外的其它塔）缺少边锚索提供的纵向刚度，因而引起主跨挠度过大的问题，超长多跨主梁的纵向位移及其约束问题，多塔多跨斜拉桥主梁最优合龙顺序问题等等。

嘉绍大桥是跨越杭州湾的又一座大桥，2013年7月19日正式建成通车。其主桥是一座6塔9跨斜拉桥（见图1），跨度布置为70+200+5x428+200+70米，主桥总长2680米。其结构特点除了采用多塔多跨外，还由于桥面较宽（55.6米）而采用了空间4索面布置，即上下游两幅钢箱梁的每一幅钢箱梁两侧分别布置一个索面（图1c）。

(a)主桥桥跨布置图

(b)大桥夜景

(c)空间四索面布置

图1 嘉绍大桥主桥（图片引自互联网）

针对前述的多塔斜拉桥的特殊问题，嘉绍大桥设计者采取了如下的应对措施：

（1）为了限制因中间塔纵向刚度不足引起的相邻跨主梁挠度过大问题，有些多塔斜拉桥采用交叉索拉至相邻塔，或采用刚性塔等措施。嘉绍大桥则在设计中适当增强桥塔和主梁刚度，并且在桥塔处设置了X形“牛腿”（图1b，图2），并将主梁支承于其上，在桥塔两侧形成支点，较之全漂浮体系斜拉桥，刚度提高了不少。

图2 嘉绍大桥桥塔构造图

（图片引自互联网文章“嘉绍桥刚性铰设计全过程总结”）

（2）由于主桥钢箱梁长度大，温度变化所引的主梁纵向位移及其所受约束较大，如果不能有效释放这种位移，会产生很大的约束内力，即温度次内力，对结构非常不利。为此，设计者在主梁中点即中间主跨跨中处设置一个释放纵向位移的装置（图1a），称为“刚性铰”（名称值得商榷，后面再谈）。如图3所示，“刚性铰”实际上是一个能够纵向相对滑动、但不能竖向和横向相对平动和转动的主梁伸缩装置，其基本构造是在一侧钢箱梁内部放置小箱梁，小箱梁固定在另一侧钢箱梁上，另一端自由，其运动方式类似于“活塞”，或者更通俗点儿地说，类似“抽屉”。“刚性铰”把2680米长的主梁分为左右两段，在“刚性铰”处可以释放两侧主梁纵向相对线位移，但约束两侧主梁的相对转角和竖向与横向平动，使结构受力得到改善，同时又能满足行车舒适性要求。刚性铰在国内最早的应用是湖北的郧阳汉江公路桥（1994.2.1通车），那是一座跨度为86.0+414.0+86.0米、宽15.6米的地锚式预应力混凝土斜拉桥。而在国外的应用工程有美国奥克兰海湾大桥引桥和新贝尼西亚马丁内兹（Benicia Martinez，2007）大桥（见图4），这两座使用了刚性铰的桥都是跨度小于200米的连续梁或连续刚构桥。而在嘉绍大桥跨度为70+200+5x428+200+70米及宽度为55.6米这样规模的六塔四索面大型桥梁结构上应用还没有先例，前面这些桥梁所用刚性铰的具体构造和参数不能适用于嘉绍大桥，所以该桥设计过程中开展了一系列的科研工作，其中由大桥设计单位中交公路规划设计院委托西南交通大学进行了一系列的刚性铰试验研究，对“刚性铰”的力学性能及构造进行了改进优化，为大桥的设计工作提供了有力的支撑。

（3）为解决多跨斜拉桥的合理合龙顺序与方法问题，设计单位及科研单位都进行了多方案的分析比选，西南交大课题组在完成刚性铰试验研究工作之后，还承担了大桥的施工控制工作，并在施工控制中采用相对最优的合龙方案，达到了良好的实际效果。

图3 嘉绍大桥刚性铰构造示意图

（引自互联网文章“嘉绍桥刚性铰设计全过程总结”）

图4 美国Benicia Martinez桥Northbound span的刚性铰构造图（引自互联网）

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刚性铰试验研究概况

刚性铰的试验研究分三个阶段进行，第一阶段试验主要根据原设计的主梁刚性铰和普通支座的构造进行测试，以确定刚性铰整体设计方案是否成立。第二阶段试验在第一阶段试验的基础上，对结构和支座构造进行改进优化，确定结构和支座体系的各项参数，验证其工作性能。第三阶段试验则进一步对一些特殊问题如偏载效应等进行研究，确保刚性铰的最后施工图设计满足要求。

通过空间有限元分析，并根据试验加载情况，第一阶段试验的模型几何缩尺比例定为1:4，如图5所示。为了保证刚性铰的小箱梁（“抽屉”）能够顺畅地在大箱梁里面滑动并传递弯矩和剪力，其四周均设置了滑动支座（图3，图5a）。这样的一个机构能否长期正常运行而不会出现卡死或者支座过早磨损等问题，是本此试验研究的重点之一。

试验通过作动器进行往复推拉，模拟桥梁运营时因温度变化而引起的纵向相对运动。由于该试验属于加速试验，因此必须控制好滑动速度，太快会积蓄过量摩擦热量而导致支座提前破坏，太慢则试验周期太长。按照设计要求，试验中支座必须经受指定推拉次数循环后而不损坏。这不仅与支座本身的构造有关，还跟整个刚性铰的构造、支座运动摩擦面的间隙以及各支座之间的运动协调性密切相关。第一次试验过程中刚性铰整体结构工作基本正常，但由于采用的是普通的滑动支座，因此仅仅600多次推拉就导致支座严重磨损（图6a）。这使课题组认识到普通滑动支座不能适应刚性铰这种特殊装置的需要，因此对支座提出新的要求，并在第二阶段试验中，联合支座制造厂重新设计了专用支座，扩大接触面以减小接触应力，同时设置球形转动面以克服偏心影响。在安装支座时精心调整各支座之间的协调性，同时降低滑动速度，增设支座冷却装置。经过60000次反复推拉后，整个装置仍能正常工作（图6b），证明刚性铰和支座达到了设计要求。这次的试验研究成果对刚性铰的技术设计和施工图设计起到了重要的指导和参考作用。

第三阶段试验研究在前两阶段试验研究的基础上，重点对支座偏载工况下的性能以及可拆装和可维护性能进行了1:2模型试验和理论分析，为整个刚性铰的改进设计提供支持。

这里只是非常简单地概述一下试验情况，实际的试验研究内容非常多，试验报告有几百页。略感兴趣的读者可以参考互联网文章“嘉绍桥刚性铰设计全过程总结”，更详细的内容可与本文作者或课题组成员沟通讨论。

(a)模型示意图

(b)模型试验照片

图5 刚性铰试验模型

(a)普通支座600次滑动损坏情况

(b)改进后的专用支座60000次滑动磨损情况

图6 试验中支座的磨损情况

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关于刚性铰这个名称

关于刚性铰这个名称，本人认为值得商榷。这个名称可能来源于国外的文献，如上述的美国Benicia Martinez桥，文献中称之为moment-resisting hinge，意为“抗弯铰”，国内引进时可能将其译为“刚性铰”。从翻译角度并不为错，关键是术语“铰”在结构与力学学科领域里的涵义非常清楚，就是能够转动的一种构造，而术语“刚性”就是不能动的意思。那么“刚性铰”或者“抗弯铰”就是不能转动或者能够抗弯的铰，这就有点儿自相矛盾，既然不能转动或者能抗弯，就不应该叫铰了。显然无论“刚性铰”还是“抗弯铰”都不是一个严谨的学术名词。那叫什么好？“抽屉”只是一种比喻，不能真的拿来作术语。在郧阳大桥中它被称为“无轴力接头结构”，意思较为贴切，但乍听起来有点儿不太容易理解。本人曾经将之称为“主梁伸缩装置”，但后来觉得容易跟伸缩缝混淆。其实这种构造更接近于一个榫，而不是铰，因此是否可叫作“主梁纵向伸缩榫”或者“主梁纵向滑动榫”，简称“伸缩榫”或“滑动榫”。以上纯属个人学术观点，各位读者有什么高见尽可以提出。

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多塔斜拉桥施工控制特点

多塔斜拉桥的施工控制是一个复杂的系统工程，不仅仅是用有限元程序多计算几个塔的悬臂施工及合龙阶段那么简单，而是要通盘考虑施工实际情况，协调各塔之间的不同施工误差造成的线形和内力差异，全面控制最终成桥的状态。

首先，多塔斜拉桥施工过程中，有多个工作面同时开展，比如嘉绍大桥就有六个塔及主梁区段同时进行悬臂施工，而每个塔的进度不一定相同，施工误差也不相同，因此施工控制分析模型要根据实际施工的进度随时进行调整，在时间轴上准确定位，同时根据误差及系统识别情况进行模型修正。

其次，由于上述的各塔施工差异，使得施工阶段理想状态的计算更为复杂，实现成桥阶段理想状态即目标状态难度加大。因此，在预测每一施工步骤的线形和内力状态时，都要综合考虑各种误差的影响规律，考虑安装标高和索力的修正以及对当前乃至对成桥状态的影响。

另外，如前所述，合龙顺序及合龙方法也是至关重要的，不同的合龙顺序及方法会导致不同的成桥状态及合龙前与合龙过程中的结构风险。虽然理论上说采用无应力状态法进行控制与施工过程无关，但实际实施时会因各种误差的存在和施工手段的限制而使得施工过程的影响不可忽略，这也是几何控制法中所要解决的问题。