青尼羅河大橋的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究
2017-12-04
在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，雖然在一般情況下橋梁結(jié)構(gòu)理論分析和受力計(jì)算上都不存在什么問題，但是橋梁設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖能否真正得以實(shí)現(xiàn)往往還取決于施工技術(shù)。橋梁施工技術(shù)包含施工設(shè)計(jì)計(jì)算、施工方法、手段與工藝、施工控制等內(nèi)容。事實(shí)上，任何橋梁施工，特別是大跨徑橋梁施工，都是一個(gè)系統(tǒng)工程。在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)圖只是目標(biāo)，而在自開工到竣工整個(gè)為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)而必須經(jīng)歷的過程中，將受到許許多多確定和不確定因素（誤差）的影響，包括設(shè)計(jì)計(jì)算、材料性能、施工精度、荷載、大氣溫度等諸多方面在理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間存在的誤差，施工中如何從各種受誤差影響而失真的參數(shù)中找出相對(duì)真實(shí)之值，對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別（監(jiān)測(cè)）、調(diào)整（糾偏）、預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的。
1 青尼羅河大橋工程概況
青尼羅河大橋位于BLUE NILE RIVER較為平坦和寬淺的河道處，橋梁西岸（ASSOSA方向）的橋臺(tái)樁號(hào)為KM163+973.5，東岸（GUBA方向）的橋臺(tái)樁號(hào)為KM164 +329.30，橋梁全長355.8 m。橋梁布局為：2×20 m（鋼筋混凝土“T”梁）+70 m（鋼桁架梁）+35 m（鋼桁架梁）+70 m（鋼桁架梁）+7×20 m（鋼筋混凝土“T”梁）。青尼羅河大橋全長355 m，其中：鋼桁架部分長度：175 m，最大跨度：70 m。
鋼桁架梁采用頂推法施工，利用已經(jīng)完成的鋼筋混凝土橋面作為拼裝場(chǎng)地，初步擬定在ASSOSA方向的混凝土橋面和與之相接的路面上拼裝和頂推鋼桁架梁，全橋鋼梁需分三次拼裝（70 m+35 m+70 m），三次頂推（35 m+35 m+105 m）。
鋼梁的最大設(shè)計(jì)跨徑為70 m（大于50 m），為減少頂推鋼梁的懸臂長度和梁體過大的撓度，在3#墩和4#墩中間、5#墩和6#墩中間分別設(shè)1#和2#臨時(shí)墩，此時(shí)頂推的最大懸臂長度縮減為35 m。
2 青尼羅河大橋的設(shè)計(jì)和實(shí)踐
2.1 青尼羅河大橋鋼桁架與頂推過程的設(shè)計(jì)
青尼羅河大橋?qū)撹旒芎喕癁榭臻g桿（梁）系結(jié)構(gòu)，對(duì)于頂推過程中的不同工況，分別進(jìn)行計(jì)算。采用框架單元來模擬鋼桁架梁的桿件，可以準(zhǔn)確模擬桁架各個(gè)部分的受力情況。
因橋面系在頂推過程中沒有安裝，故不考慮橋面系的作用和橋面系的荷載。
采用不同的邊界條件來模擬頂推過程中滑道、千斤頂與桁架的接觸。
頂推力與摩阻力平衡，根據(jù)豎向力計(jì)算摩阻力和頂推力，采用在鋼桁架底部節(jié)點(diǎn)加水平力的形式模擬頂推力與摩阻力。
以上對(duì)模型的簡化可以在保證模型準(zhǔn)確性和計(jì)算結(jié)果可靠性的前提下，減少計(jì)算工作量。
設(shè)計(jì)頂推過程共分7個(gè)階段。
?。?）拼裝126 m鋼桁架，按35 m間距支起滑道（圖1）。
?。?）頂推21 m，采用千斤頂頂起桁架尾部，撤掉滑道（圖2）。
?。?）頂推28 m到達(dá)1#臺(tái)；千斤頂頂起上1#臺(tái)（圖3）。
?。?）重復(fù)（2）、（3）步驟，頂推到達(dá)3#永久墩（圖4）。
（5）拼裝49 m桁架（共175 m）（圖5）。
?。?）重復(fù)（2）、（3）步驟，頂推到達(dá)6#永久墩（圖6）。
?。?）落梁，拆除臨時(shí)墩（圖7）。
根據(jù)設(shè)計(jì)頂推過程，桁架每頂推3.5 m作為一個(gè)工況，建立126 m、175 m的桁架模型，針對(duì)每個(gè)工況分別進(jìn)行計(jì)算，并考慮部分臨時(shí)荷載，然后比較計(jì)算結(jié)果，得出最不利工況，及頂推過程中桁架受力規(guī)律。依據(jù)對(duì)桁架的計(jì)算結(jié)果，對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算和指導(dǎo)施工監(jiān)測(cè)。
2.2 青尼羅河大橋鋼桁架橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件由焊接型鋼代替軋制型鋼的設(shè)計(jì)
2.2.1 青尼羅河大橋鋼材料的設(shè)計(jì)與選用
青尼羅河大橋鋼材料采用與原軋制型鋼完全相同的歐洲標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的S355材質(zhì)做為焊接型鋼的板材。作為替換桿件的焊接型鋼所采用的截面完全與原軋制型鋼相同（比如：高、寬、翼緣厚度、腹板厚度等），所以替換后，不會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)桿件的截面特性和承載能力，所以承載能力與原設(shè)計(jì)相同，承載能力的驗(yàn)算參見原設(shè)計(jì)計(jì)算書。焊縫尺寸詳見（表1）。
2.2.2 青尼羅河大橋焊縫尺寸的設(shè)計(jì)要求
對(duì)于焊縫尺寸，詳見（表1）。
對(duì)于本橋，桿件的受力分為兩種情況。
?。?）軸向受力（圖7）。
在軸向力作用下，角焊縫的靜力強(qiáng)度按下式計(jì)算：
式中，為角焊縫的平均剪應(yīng)力；
N為桿件的軸向內(nèi)力；
AH為角焊縫的計(jì)算面積；
為角焊縫的全部計(jì)算長度；
為角焊縫的計(jì)算厚度；
為角焊縫的容許剪應(yīng)力，其值與基本鋼材容許剪應(yīng)力相同。
因此，當(dāng)兩側(cè)焊縫喉厚之和大于腹板厚度時(shí)，式（1）必能成立。
（2）翼緣與腹板的連接焊縫的計(jì)算（圖8）。
焊接板梁系采用連續(xù)的翼緣焊縫，并用自動(dòng)電焊機(jī)施焊?，F(xiàn)將翼緣焊縫的驗(yàn)算方法敘述如下。 （1）水平剪應(yīng)力：
式中，Q為梁所受的最大剪力（簡支梁的Q就是梁端剪力）；
Syi為一個(gè)翼緣截面對(duì)中性軸的面積矩；
Im為梁毛截面慣矩；
為腹板厚度；
（2）翼緣焊縫的驗(yàn)算公式：
而對(duì)于焊縫處，要求：
因此，如果，即2倍的焊縫尺寸大于腹板厚度，即可達(dá)到和母材一樣的抗剪能力。
從（表1）中可見，在此次桿件替換中，所采用的焊縫尺寸均滿足2倍的喉厚大于腹板厚度，因此，不需要對(duì)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算。
2.2.3 焊接殘余應(yīng)力的處理
焊接殘余應(yīng)力的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響如何？根據(jù)試驗(yàn)與理論研究，一般認(rèn)為，若構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞，焊接殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的靜載強(qiáng)度無影響，但卻降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度（焊接桿件的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算見附錄）。因此，應(yīng)采用合理的構(gòu)造及焊接工藝，以減小焊接應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不良影響。
為減小焊接殘余應(yīng)力，對(duì)焊接工藝采用嚴(yán)格的要求。
?。?）焊接工作宜在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境濕度應(yīng)小于80%；焊接低合金鋼的環(huán)境溫度不應(yīng)低于5 ℃，焊接普通碳素鋼不應(yīng)低于0 ℃；主要桿件應(yīng)在組裝后24 h內(nèi)焊接。
?。?）焊接前必須徹底清除等焊區(qū)域內(nèi)的有害物，焊接時(shí)嚴(yán)禁在母材的非焊接工藝評(píng)定部位引弧，焊接后應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)的飛濺。
?。?）焊接材料應(yīng)通過焊接工藝確定；焊劑、焊條必須按產(chǎn)品說明書烘干使用；焊劑中的贓物，焊絲上的油銹等必須清除干凈；CO2氣體純度應(yīng)大于99.5%。
（4）焊前預(yù)熱溫度應(yīng)通過焊接性試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定確定；預(yù)熱范圍一般為焊縫每側(cè)100 mm以上，距焊縫30～50 mm范圍內(nèi)測(cè)溫。
（5）埋弧自動(dòng)焊必須在距設(shè)計(jì)焊縫端部80 mm以外的引板上起、熄弧。
（6）自動(dòng)焊焊接過程中不應(yīng)斷弧，如有斷弧則必須將?；√幣俪?∶5斜坡，并搭接50 mm再引弧施焊，焊后搭接處應(yīng)修磨勻順。
?。?）焊接桿件的矯正：矯正后的桿件表面不得有凹痕和其他損傷；冷矯時(shí)應(yīng)緩慢加力，室溫不宜低于5 ℃，冷矯總變形量不得大于2%；熱矯時(shí)加熱溫度應(yīng)控制在600 ℃～800 ℃，嚴(yán)禁過燒，不宜在同一部位多次重復(fù)加熱。
3 青尼羅河大橋的施工過程中的監(jiān)測(cè)工作
橋梁施工監(jiān)控是確保橋梁施工宏觀質(zhì)量的關(guān)鍵。衡量一座橋梁的施工宏觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就是其成橋狀態(tài)的線形以及受力情況是否符合設(shè)計(jì)要求。為確保橋梁施工質(zhì)量，對(duì)施工過程的監(jiān)控是必不可少的。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和發(fā)展，技術(shù)人員完全可以對(duì)多階段的施工方法進(jìn)行模擬，可以預(yù)先計(jì)算出各階段內(nèi)力和位移，稱之為預(yù)計(jì)值。將施工中的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，若有誤差可以調(diào)整，直到達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)狀態(tài)。也就是通過施工控制，使各階段內(nèi)力和變形達(dá)到預(yù)計(jì)值，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保施工質(zhì)量。監(jiān)測(cè)是橋梁施工控制的最基本手段之一。監(jiān)測(cè)包括物理監(jiān)測(cè)、線性和力學(xué)監(jiān)測(cè)（應(yīng)力監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)）等。由于實(shí)橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變易性，加工、制作、安裝等施工誤差，施工環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)條件的變易等諸多因素的影響，如先期土建施工的誤差、材性、幾何尺寸、安裝精度、施工荷載、環(huán)境溫度等誤差，因此在前期安裝設(shè)備時(shí)應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，反復(fù)的進(jìn)行試測(cè)。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析、識(shí)別結(jié)構(gòu)的實(shí)際參數(shù)，調(diào)整計(jì)算假定的參數(shù)，以指導(dǎo)控制、修正偏差的施工狀態(tài)，使其最大限度地逼近理想狀態(tài)。
為了消除因設(shè)計(jì)參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設(shè)計(jì)與實(shí)際的偏差，我們?cè)谑┕み^程中通過檢測(cè)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和正確估計(jì)。通過修正參數(shù)誤差，保證了施工控制數(shù)據(jù)的精確性，從而保證了施工過程中結(jié)構(gòu)的受力安全和實(shí)現(xiàn)最終的成橋狀態(tài)。
橋梁施工各工序完成時(shí)間的數(shù)據(jù)在施工控制計(jì)算中直接影響到鋼桁梁計(jì)算。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通常按施工技術(shù)水平進(jìn)行估計(jì)。而在施工控制計(jì)算中，需要盡可能地采用實(shí)際的施工時(shí)間（與施工單位核定）參與計(jì)算。對(duì)因某種原因造成施工產(chǎn)生較長停頓時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行施工控制分析。時(shí)間的計(jì)量按年、月、日來計(jì)量。
橋梁施工過程中，環(huán)境溫度的大小及日照溫差會(huì)影響到結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的內(nèi)力分布；并且，結(jié)構(gòu)的溫度變形還影響到施工中構(gòu)件的架設(shè)精度及測(cè)量精度。對(duì)日照溫差影響較大的情況，一般要求標(biāo)高測(cè)量在清晨日出前進(jìn)行。在實(shí)際施工中，由于工期限制，某些工序的標(biāo)高測(cè)量需要立即進(jìn)行。把這樣測(cè)量的數(shù)據(jù)用于施工控制分析中時(shí)，就必須考慮溫度修正量。
施工監(jiān)控期間，溫度半個(gè)小時(shí)記錄一次。
線性和力學(xué)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控在實(shí)施時(shí)第一步的工作是要形成控制的目標(biāo)文件。施工監(jiān)測(cè)、監(jiān)控的預(yù)測(cè)計(jì)算將采用設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行分析，計(jì)算出控制目標(biāo)的理論真值。理論真值由梁體理論撓度、梁體理論軸線、和梁體截面理論應(yīng)力等系列數(shù)據(jù)組成。在這一計(jì)算過程中將與設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行相互校核，以確?？刂频哪繕?biāo)不與設(shè)計(jì)要求失真。
鋼桁梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置詳見下圖，根據(jù)模擬結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，桁架的最大應(yīng)力都在桁架的前后35 m處，其中最大應(yīng)力處桁架左右側(cè)均貼上數(shù)碼應(yīng)變傳感器，便于左右側(cè)應(yīng)力對(duì)方，其余測(cè)點(diǎn)為均布測(cè)點(diǎn)（圖10）。
鋼桁梁的撓度測(cè)點(diǎn)布置詳見附圖：測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5主要是測(cè)懸臂端的撓度，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4主要是測(cè)成橋后的撓度。
在鋼桁架上貼厘米紙，用精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)桁架的撓度（圖11）。
在臨時(shí)墩和永久墩上部貼上厘米紙，用全站儀觀測(cè)橋墩變形情況。
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