刚性铰设计全过程总结
林道锦博 发表于2010年06月27日 10:40 阅读(19) 评论(1) 分类：
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；
2) 采用新型材料的滑动支座可以有效控制支座摩擦产生磨损，同时支座的磨阻力也非常有限，建议将滚轴支座改为采用滑动支座；
3) 建议研究支座每年的位移量，有利于确定滑移装置的寿命。
浙江省院在初步设计咨询报告中提出：“由于刚性铰的结构和受力均极为复杂，且为多塔斜拉桥的关键技术，为此，建议对刚性铰的设置位置、数量进行更深入的研究，对其可靠性、耐久性、可维护性、制造和安装工艺等方面进行进一步研究论证，必要时，建议进行模型试验，从而得出有效的解决对策。”
在正式初步设计审查结束后，交通运输部以“交公路发[2008]360号文”对嘉绍大桥的初步设计文件进行了批复，在批复意见中对刚性铰提出意见如下：
“原则同意主桥采用主塔两侧纵向设置竖向支座、跨中设刚性铰装置的结构体系。刚性铰受力复杂，构造细节设计、制造、安装与检查维护实例少，应增加技术设计阶段，重点研究以下问题：（一）结合结构受力、仿真计算等，深化研究刚性铰装置，通过模型试验进行验证，进一步确定结构构造方案。（二）进一步做好刚性铰安装施工关键技术研究，并采取针对性措施，减少施工风险。（三）进一步开展维修、养护及刚性铰耐久性相关专题研究” 3.2 初步设计审查意见的落实
根据初步设计阶段各方面专家的意见以及交通运输部初步设计批复意见的精神，设计项目组对刚性铰设计又开展了新一轮回的深入设计工作。
(1) 着手开展刚性铰的技术设计工作，落实交通运输部对刚性铰设计提出的三点要求；
(2) 开展刚性铰模型试验专题研究。为确定专题研究合作单位，在正式实施专题研究前，邀请国内科研实力较强的几所科研院校进行刚性铰模型试验的方案征集。包括，西南交通大学，同济大学，长安大学，铁道部科学研究院等，经过多方比较，最终选择西南交通大学土木学院作为专题研究的正式合作单位，钢结构模型的加工由山海关桥梁厂完成，支座模型的加工由成都新津筑路机械厂完成，伸缩缝模型由宁波路宝公司加工提供。
4. 模型试验情况
4.1 第一阶段模型试验
模型试验首先由拟定了试验研究大纲，确定的模型的缩尺比例为1:4，确定了加载工况组合，并且明确了试验分为两个大的内容，即静力加载试验和刚性铰反复运动下的工作性能试验。
通过第一阶段模型试验得到了如下研究成果：
1) 静力加载试验证明了刚性铰主体构造传力合理，结构构造满足刚性铰的受力特点和要求。
2) 工作性能试验发现，刚性铰支座的正常工作是控制整个刚性铰是否正常工作的关键。
3) 普通滑板支座不能适应刚性铰构造对支座的要求，仅滑动600次后支座即出现磨损严重现象，不能满足要求。
4) 球形滑板支座对转角的适应能力较强，刚性铰支座宜选用球形滑板支座。 5) 通过两种摩擦材料的对比，发现超高分子量四氟乙烯材料受温度影响大，与普通聚四氟乙烯相比，并没有显示出其明显优势。
第一阶段模型试验完成后，09年4月20日指挥部组织有关专家对第一阶段试验成果进行了评审，评审意见如下：
根据刚性铰模型试验研究结果，嘉绍大桥刚性铰的构造是合理可行的，工作性能良好，可满足嘉绍大桥的受力需要。建议：根据模型试验得出的刚性铰支座工作状况，加强刚性铰专用支座的研发工作，以提高支座的耐磨性，延长刚性铰专用支座的使用寿命。
4.2 第二阶段模型试验
根据第一阶段的模型试验存在的问题，以及试验专题评审的专家意见，项目组决定组织第二阶段刚性铰模型试验，第二阶段刚性铰模型试验的重点是根据第一阶段总结得到的经验，对刚性铰支座进行有针对性的改进，并且在模型中进行试验，检验支座进行改进后的效果。第二阶段模型试验的支座由成都新筑路桥机械股份有限公司生产，而模型试验仍由西南交通大学完成。
第二次试验与第一次试验比，区别在于： 1) 改进支座构造，增加高度调整和缓冲装置；
2) 为了不使热量过快积聚，将原来的10秒钟一个周期改为30秒钟一个周期；