嘉紹大橋

“一橋飛架南北，天塹變通途。”3年前的7月18日，錢塘江兩岸的嘉興、紹興人民夢寐以求的嘉紹大橋正式通車營運。3年來，這座跨江大橋的營運情況到底如何？昨天上午，浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司舉行了一場簡短的新聞發(fā)布會，向媒體及有關(guān)方面介紹了嘉紹大橋營運3周年來的有關(guān)情況。

兩大效益“雙豐收”

浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司總經(jīng)理呂為昱在新聞發(fā)布會上介紹，嘉紹大橋營運以來，車流量和通行費收入增速喜人，經(jīng)濟效益和社會效益“雙豐收”，真正成為助推發(fā)展的“黃金橋”。

據(jù)介紹，嘉紹大橋自2013年7月18日正式通車營運以來，車流量增長迅速，2013年收費車流量220.10萬輛次，2014年822.98萬輛次，2015年已達982.02萬輛次。今年上半年，在整體經(jīng)濟形勢下行的不利情況下，大橋1月至6月收費車流量547.21萬輛次，日均3萬輛次，其中貨車占35.47%，同比增長13.9%，達到設(shè)計飽和流量的60%。3年來，嘉紹大橋還累計免費通行205萬輛次，累計減免通行費0.72億元。

“隨著車流量的不斷提升，至2013年底，大橋通行費收入即可覆蓋利息費用和日常營運、養(yǎng)護費用，實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益。今年上半年，日均通行費收入已開始還本付息，預(yù)計今年可歸還貸款2億元?！眳螢殛耪f，3年來，公司良好的現(xiàn)金流也大大提升了股東單位的融資空間，同時為嘉興、紹興兩地政府非稅收入做出了積極貢獻，“2015年實現(xiàn)紹興市本級非稅收入2.4億元，實現(xiàn)嘉興市本級非稅收入1.97億元。”

事故發(fā)生率全省最低

“嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司、高速交警、路政等聯(lián)勤單位密切配合，有力管控，嘉紹大橋2013年共發(fā)生橋面交通事故12起，平均每月每公里0.22起；2014年65起，平均每月每公里0.54起；2015年46起，平均每月每公里0.38起，事故發(fā)生率保持在全省最低水平?！眳螢殛耪f，3年來，嘉紹大橋未發(fā)生安全生產(chǎn)責任事故，“各免費節(jié)假日，大橋流量均有明顯大幅度增長，交通狀況良好，未出現(xiàn)任何擁堵?！?/p>

據(jù)了解，在不斷完善安全生產(chǎn)管理體系、嚴格落實安全生產(chǎn)工作責任的同時，為全面提升安全營運智能化程度，目前，嘉紹大橋已利用擴容后的85路視頻交通事件自動檢測分析儀，以及監(jiān)控中心每30分鐘一次的全橋人工電子巡邏和路巡隊伍每2小時一次的橋面巡邏，使橋上各類事故事件主動發(fā)現(xiàn)率達90%以上。

為進一步提升大橋信息化水平和管理效率，嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司還建設(shè)了以三維仿真地圖為基礎(chǔ)的監(jiān)控軟件控制平臺，融合視頻事件檢測系統(tǒng)、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)等獨立系統(tǒng)，實現(xiàn)“一體化”控制；以《嘉紹大橋突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案》為條件，將各系統(tǒng)通過平臺相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)應(yīng)急處置自動啟動“一鍵化”，該系統(tǒng)改造完成后，將更加提高橋面交通安全管理的效率。

嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司還搭建嚴密的現(xiàn)場安全管理網(wǎng)絡(luò)，堅持“全覆蓋、零容忍、重實效”原則，根據(jù)季節(jié)特點、階段工作重點和節(jié)日保暢工作要求，開展多層次、拉網(wǎng)式安全隱患排查工作，對排查出的風險源按照可能性和嚴重性劃分等級，列表逐一排除。

享譽海內(nèi)外成“明星”

“大橋竣工驗收工作推進有序，大橋工程屢獲國內(nèi)外大獎，成為享譽海內(nèi)外的‘明星橋’。”據(jù)介紹，3年來，有關(guān)方面還全力推進工程竣工驗收工作，著力推進工程決算工作，加快工程變更審核工作，目前已完成全部工程變更項目審批，3年累計批復(fù)各類遺留工程變更132項，合計變更金額4831萬元。這3年來還屢獲國內(nèi)外大獎，2016年嘉紹大橋獲國際橋梁大會（IBC）Gustav Lindenthal（古斯塔夫·林登少）獎、國際路聯(lián)（IRF）杰出工程設(shè)計大獎、2015年度浙江省建設(shè)工程“錢江杯”獎（優(yōu)質(zhì)工程）等。

呂為昱表示，嘉紹大橋通車營運3年來，已實現(xiàn)大橋營運“安全暢通、優(yōu)質(zhì)高效”，下階段還將全面推進“平安大橋、智能大橋、效益大橋”建設(shè)?！耙尨髽蛎抗锩吭陆煌ㄊ鹿士刂圃?.5起以內(nèi)，不發(fā)生安全生產(chǎn)責任事故；橋下水域安全，不發(fā)生大橋被撞結(jié)構(gòu)損壞事件。要結(jié)合‘互聯(lián)網(wǎng)+’全面升級大橋交通事件自動檢測系統(tǒng)、大橋結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，開展基于云平臺的大橋管養(yǎng)系統(tǒng)研究，發(fā)揮在相關(guān)數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)評估、決策分析、信息共享等方面的優(yōu)勢，打造‘智能大橋2.0’，實現(xiàn)大橋自感知、自調(diào)節(jié)。同時發(fā)揮嘉紹大橋的區(qū)位優(yōu)勢，提供安全、優(yōu)質(zhì)、暢通的通行環(huán)境，為推進長三角地區(qū)經(jīng)濟一體化，全面建設(shè)環(huán)杭州灣地區(qū)‘黃金產(chǎn)業(yè)帶’發(fā)揮積極作用，年車流量增長力爭保持在8%以上?！?/p>

近日，記者從浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司獲悉，嘉紹大橋榮獲2017年度國際咨詢工程師聯(lián)合會（法文縮寫FIDIC，音譯為“菲迪克”）特別優(yōu)秀項目獎。

據(jù)悉，這是繼2015年10月舟山大陸連島工程西堠門大橋獲得“菲迪克”杰出項目獎后，浙江第二座獲得“菲迪克”獎的大橋。

菲迪克

全稱是國際咨詢工程師聯(lián)合會，英文名為International Federation of Consulting Engineers，于1913年由歐洲5國獨立的咨詢工程師協(xié)會在比利時根特成立。

目前，“菲迪克”是國際上最有權(quán)威的被世界銀行認可的咨詢工程師組織。

據(jù)了解，嘉紹大橋的獲獎緣由是“體現(xiàn)了創(chuàng)新、高質(zhì)量和杰出的專業(yè)水平，貫徹了透明和廉潔原則和具有可持續(xù)性，尊重環(huán)境”。

嘉紹大橋是目前世界最大的多塔斜拉橋，建設(shè)在舉世聞名的錢塘江起潮處，大橋設(shè)計獨具匠心，采用的多項首創(chuàng)技術(shù)，如在國際上首創(chuàng)多塔斜拉橋“雙排支座+剛性鉸”（DSH）結(jié)構(gòu)體系，在國際上首次研究提出了3.8m大直徑單樁獨柱70m跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋新型結(jié)構(gòu)，剛性鉸技術(shù)、單樁獨柱結(jié)構(gòu)技術(shù)等還降低了超強涌潮環(huán)境下的施工風險，比傳統(tǒng)技術(shù)節(jié)約工程造價約8.5 億元……

在廉潔透明上，嘉紹大橋在項目全過程管理的咨詢服務(wù)、招標采購方面堅持貫徹“菲迪克”理念，本著公開透明的原則，累計完成32個各類標段的招標，合同金額48.25億元，有效投訴為零。

嘉紹大橋在建設(shè)全過程中，始終堅持可持續(xù)發(fā)展原則，尋求與環(huán)境和諧統(tǒng)一。為了減少橋梁結(jié)構(gòu)對自然水文條件的影響，橋梁下部結(jié)構(gòu)阻水率被嚴格控制在5%以內(nèi)，滿足了對錢江涌潮自然奇觀保護及深槽寬幅擺動條件下的通航要求。水中區(qū)引橋采用單樁獨柱結(jié)構(gòu)，保留鋼護筒減少強涌潮對墩柱的沖蝕，降低船舶撞擊非通航孔的安全風險。大橋整體造型簡明流暢，與周圍環(huán)境有機融合，像劍似筆的獨柱塔形，清晰明快、簡潔樸素，高度契合當?shù)厝宋那閼?，成為嘉紹兩地新的地標性建筑，與著名錢塘江涌潮景觀相得益彰。

據(jù)了解，嘉紹大橋還獲得了2016年國際橋梁大會（IBC）“古斯塔夫·林德撒爾獎(Gustav Lindenthal Medal)”、2016年國際道路聯(lián)合會（IRF）“全球道路設(shè)計成就獎（2016 IRF Global Road Achievement Awards (GRAA) for Design）”。目前，大橋在世界范圍內(nèi)得到了廣泛認可。

本文系西南交大橋梁（id:xnjdqlx)授權(quán)轉(zhuǎn)載，作者:李喬

作者簡介

李喬，西南交通大學教授，博士生導(dǎo)師，茅以升橋梁研究所所長，在中國公路學會橋梁分會等學術(shù)組織任常務(wù)理事或理事，在土木工程學報等重要學術(shù)期刊任編委會委員。

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多塔斜拉橋與嘉紹大橋

斜拉橋一般多為雙塔或者獨塔形式，但有時由于各種條件的限制和功能的需求，需要設(shè)計成多塔斜拉橋。與雙塔或者獨塔斜拉橋相比，多塔斜拉橋有很多相似之處，但也有很多特殊之處，例如：中間各塔（立面上看，除兩邊塔之外的其它塔）缺少邊錨索提供的縱向剛度，因而引起主跨撓度過大的問題，超長多跨主梁的縱向位移及其約束問題，多塔多跨斜拉橋主梁最優(yōu)合龍順序問題等等。

嘉紹大橋是跨越杭州灣的又一座大橋，2013年7月19日正式建成通車。其主橋是一座6塔9跨斜拉橋（見圖1），跨度布置為70+200+5x428+200+70米，主橋總長2680米。其結(jié)構(gòu)特點除了采用多塔多跨外，還由于橋面較寬（55.6米）而采用了空間4索面布置，即上下游兩幅鋼箱梁的每一幅鋼箱梁兩側(cè)分別布置一個索面（圖1c）。

(a)主橋橋跨布置圖

(b)大橋夜景

(c)空間四索面布置

圖1 嘉紹大橋主橋（圖片引自互聯(lián)網(wǎng)）

針對前述的多塔斜拉橋的特殊問題，嘉紹大橋設(shè)計者采取了如下的應(yīng)對措施：

（1）為了限制因中間塔縱向剛度不足引起的相鄰跨主梁撓度過大問題，有些多塔斜拉橋采用交叉索拉至相鄰塔，或采用剛性塔等措施。嘉紹大橋則在設(shè)計中適當增強橋塔和主梁剛度，并且在橋塔處設(shè)置了X形“牛腿”（圖1b，圖2），并將主梁支承于其上，在橋塔兩側(cè)形成支點，較之全漂浮體系斜拉橋，剛度提高了不少。

圖2 嘉紹大橋橋塔構(gòu)造圖

（圖片引自互聯(lián)網(wǎng)文章“嘉紹橋剛性鉸設(shè)計全過程總結(jié)”）

（2）由于主橋鋼箱梁長度大，溫度變化所引的主梁縱向位移及其所受約束較大，如果不能有效釋放這種位移，會產(chǎn)生很大的約束內(nèi)力，即溫度次內(nèi)力，對結(jié)構(gòu)非常不利。為此，設(shè)計者在主梁中點即中間主跨跨中處設(shè)置一個釋放縱向位移的裝置（圖1a），稱為“剛性鉸”（名稱值得商榷，后面再談）。如圖3所示，“剛性鉸”實際上是一個能夠縱向相對滑動、但不能豎向和橫向相對平動和轉(zhuǎn)動的主梁伸縮裝置，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，其運動方式類似于“活塞”，或者更通俗點兒地說，類似“抽屜”?！皠傂糟q”把2680米長的主梁分為左右兩段，在“剛性鉸”處可以釋放兩側(cè)主梁縱向相對線位移，但約束兩側(cè)主梁的相對轉(zhuǎn)角和豎向與橫向平動，使結(jié)構(gòu)受力得到改善，同時又能滿足行車舒適性要求。剛性鉸在國內(nèi)最早的應(yīng)用是湖北的鄖陽漢江公路橋（1994.2.1通車），那是一座跨度為86.0+414.0+86.0米、寬15.6米的地錨式預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。而在國外的應(yīng)用工程有美國奧克蘭海灣大橋引橋和新貝尼西亞馬丁內(nèi)茲（Benicia Martinez，2007）大橋（見圖4），這兩座使用了剛性鉸的橋都是跨度小于200米的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋。而在嘉紹大橋跨度為70+200+5x428+200+70米及寬度為55.6米這樣規(guī)模的六塔四索面大型橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用還沒有先例，前面這些橋梁所用剛性鉸的具體構(gòu)造和參數(shù)不能適用于嘉紹大橋，所以該橋設(shè)計過程中開展了一系列的科研工作，其中由大橋設(shè)計單位中交公路規(guī)劃設(shè)計院委托西南交通大學進行了一系列的剛性鉸試驗研究，對“剛性鉸”的力學性能及構(gòu)造進行了改進優(yōu)化，為大橋的設(shè)計工作提供了有力的支撐。

（3）為解決多跨斜拉橋的合理合龍順序與方法問題，設(shè)計單位及科研單位都進行了多方案的分析比選，西南交大課題組在完成剛性鉸試驗研究工作之后，還承擔了大橋的施工控制工作，并在施工控制中采用相對最優(yōu)的合龍方案，達到了良好的實際效果。

圖3 嘉紹大橋剛性鉸構(gòu)造示意圖

（引自互聯(lián)網(wǎng)文章“嘉紹橋剛性鉸設(shè)計全過程總結(jié)”）

圖4 美國Benicia Martinez橋Northbound span的剛性鉸構(gòu)造圖（引自互聯(lián)網(wǎng)）

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剛性鉸試驗研究概況

剛性鉸的試驗研究分三個階段進行，第一階段試驗主要根據(jù)原設(shè)計的主梁剛性鉸和普通支座的構(gòu)造進行測試，以確定剛性鉸整體設(shè)計方案是否成立。第二階段試驗在第一階段試驗的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)和支座構(gòu)造進行改進優(yōu)化，確定結(jié)構(gòu)和支座體系的各項參數(shù)，驗證其工作性能。第三階段試驗則進一步對一些特殊問題如偏載效應(yīng)等進行研究，確保剛性鉸的最后施工圖設(shè)計滿足要求。

通過空間有限元分析，并根據(jù)試驗加載情況，第一階段試驗的模型幾何縮尺比例定為1:4，如圖5所示。為了保證剛性鉸的小箱梁（“抽屜”）能夠順暢地在大箱梁里面滑動并傳遞彎矩和剪力，其四周均設(shè)置了滑動支座（圖3，圖5a）。這樣的一個機構(gòu)能否長期正常運行而不會出現(xiàn)卡死或者支座過早磨損等問題，是本此試驗研究的重點之一。

試驗通過作動器進行往復(fù)推拉，模擬橋梁運營時因溫度變化而引起的縱向相對運動。由于該試驗屬于加速試驗，因此必須控制好滑動速度，太快會積蓄過量摩擦熱量而導(dǎo)致支座提前破壞，太慢則試驗周期太長。按照設(shè)計要求，試驗中支座必須經(jīng)受指定推拉次數(shù)循環(huán)后而不損壞。這不僅與支座本身的構(gòu)造有關(guān)，還跟整個剛性鉸的構(gòu)造、支座運動摩擦面的間隙以及各支座之間的運動協(xié)調(diào)性密切相關(guān)。第一次試驗過程中剛性鉸整體結(jié)構(gòu)工作基本正常，但由于采用的是普通的滑動支座，因此僅僅600多次推拉就導(dǎo)致支座嚴重磨損（圖6a）。這使課題組認識到普通滑動支座不能適應(yīng)剛性鉸這種特殊裝置的需要，因此對支座提出新的要求，并在第二階段試驗中，聯(lián)合支座制造廠重新設(shè)計了專用支座，擴大接觸面以減小接觸應(yīng)力，同時設(shè)置球形轉(zhuǎn)動面以克服偏心影響。在安裝支座時精心調(diào)整各支座之間的協(xié)調(diào)性，同時降低滑動速度，增設(shè)支座冷卻裝置。經(jīng)過60000次反復(fù)推拉后，整個裝置仍能正常工作（圖6b），證明剛性鉸和支座達到了設(shè)計要求。這次的試驗研究成果對剛性鉸的技術(shù)設(shè)計和施工圖設(shè)計起到了重要的指導(dǎo)和參考作用。

第三階段試驗研究在前兩階段試驗研究的基礎(chǔ)上，重點對支座偏載工況下的性能以及可拆裝和可維護性能進行了1:2模型試驗和理論分析，為整個剛性鉸的改進設(shè)計提供支持。

這里只是非常簡單地概述一下試驗情況，實際的試驗研究內(nèi)容非常多，試驗報告有幾百頁。略感興趣的讀者可以參考互聯(lián)網(wǎng)文章“嘉紹橋剛性鉸設(shè)計全過程總結(jié)”，更詳細的內(nèi)容可與本文作者或課題組成員溝通討論。

(a)模型示意圖

(b)模型試驗照片

圖5 剛性鉸試驗?zāi)Ｐ?/p>

(a)普通支座600次滑動損壞情況

(b)改進后的專用支座60000次滑動磨損情況

圖6 試驗中支座的磨損情況

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關(guān)于剛性鉸這個名稱

關(guān)于剛性鉸這個名稱，本人認為值得商榷。這個名稱可能來源于國外的文獻，如上述的美國Benicia Martinez橋，文獻中稱之為moment-resisting hinge，意為“抗彎鉸”，國內(nèi)引進時可能將其譯為“剛性鉸”。從翻譯角度并不為錯，關(guān)鍵是術(shù)語“鉸”在結(jié)構(gòu)與力學學科領(lǐng)域里的涵義非常清楚，就是能夠轉(zhuǎn)動的一種構(gòu)造，而術(shù)語“剛性”就是不能動的意思。那么“剛性鉸”或者“抗彎鉸”就是不能轉(zhuǎn)動或者能夠抗彎的鉸，這就有點兒自相矛盾，既然不能轉(zhuǎn)動或者能抗彎，就不應(yīng)該叫鉸了。顯然無論“剛性鉸”還是“抗彎鉸”都不是一個嚴謹?shù)膶W術(shù)名詞。那叫什么好？“抽屜”只是一種比喻，不能真的拿來作術(shù)語。在鄖陽大橋中它被稱為“無軸力接頭結(jié)構(gòu)”，意思較為貼切，但乍聽起來有點兒不太容易理解。本人曾經(jīng)將之稱為“主梁伸縮裝置”，但后來覺得容易跟伸縮縫混淆。其實這種構(gòu)造更接近于一個榫，而不是鉸，因此是否可叫作“主梁縱向伸縮榫”或者“主梁縱向滑動榫”，簡稱“伸縮榫”或“滑動榫”。以上純屬個人學術(shù)觀點，各位讀者有什么高見盡可以提出。

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多塔斜拉橋施工控制特點

多塔斜拉橋的施工控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅僅是用有限元程序多計算幾個塔的懸臂施工及合龍階段那么簡單，而是要通盤考慮施工實際情況，協(xié)調(diào)各塔之間的不同施工誤差造成的線形和內(nèi)力差異，全面控制最終成橋的狀態(tài)。

首先，多塔斜拉橋施工過程中，有多個工作面同時開展，比如嘉紹大橋就有六個塔及主梁區(qū)段同時進行懸臂施工，而每個塔的進度不一定相同，施工誤差也不相同，因此施工控制分析模型要根據(jù)實際施工的進度隨時進行調(diào)整，在時間軸上準確定位，同時根據(jù)誤差及系統(tǒng)識別情況進行模型修正。

其次，由于上述的各塔施工差異，使得施工階段理想狀態(tài)的計算更為復(fù)雜，實現(xiàn)成橋階段理想狀態(tài)即目標狀態(tài)難度加大。因此，在預(yù)測每一施工步驟的線形和內(nèi)力狀態(tài)時，都要綜合考慮各種誤差的影響規(guī)律，考慮安裝標高和索力的修正以及對當前乃至對成橋狀態(tài)的影響。

另外，如前所述，合龍順序及合龍方法也是至關(guān)重要的，不同的合龍順序及方法會導(dǎo)致不同的成橋狀態(tài)及合龍前與合龍過程中的結(jié)構(gòu)風險。雖然理論上說采用無應(yīng)力狀態(tài)法進行控制與施工過程無關(guān)，但實際實施時會因各種誤差的存在和施工手段的限制而使得施工過程的影響不可忽略，這也是幾何控制法中所要解決的問題。