青尼羅河大橋的設計與實踐研究
2017-12-04
在科學技術高速發(fā)展的今天，雖然在一般情況下橋梁結構理論分析和受力計算上都不存在什么問題，但是橋梁設計者的設計意圖能否真正得以實現(xiàn)往往還取決于施工技術。橋梁施工技術包含施工設計計算、施工方法、手段與工藝、施工控制等內容。事實上，任何橋梁施工，特別是大跨徑橋梁施工，都是一個系統(tǒng)工程。在該系統(tǒng)中，設計圖只是目標，而在自開工到竣工整個為實現(xiàn)設計目標而必須經歷的過程中，將受到許許多多確定和不確定因素（誤差）的影響，包括設計計算、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)中找出相對真實之值，對施工狀態(tài)進行實時識別（監(jiān)測）、調整（糾偏）、預測，對設計目標的實現(xiàn)是至關重要的。
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）的橋臺樁號為KM163+973.5，東岸（GUBA方向）的橋臺樁號為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，利用已經完成的鋼筋混凝土橋面作為拼裝場地，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）。
鋼梁的最大設計跨徑為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1#和2#臨時墩，此時頂推的最大懸臂長度縮減為35 m。
2 青尼羅河大橋的設計和實踐
2.1 青尼羅河大橋鋼桁架與頂推過程的設計
青尼羅河大橋將鋼桁架簡化為空間桿（梁）系結構，對于頂推過程中的不同工況，分別進行計算。采用框架單元來模擬鋼桁架梁的桿件，可以準確模擬桁架各個部分的受力情況。
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，根據豎向力計算摩阻力和頂推力，采用在鋼桁架底部節(jié)點加水平力的形式模擬頂推力與摩阻力。
以上對模型的簡化可以在保證模型準確性和計算結果可靠性的前提下，減少計算工作量。
設計頂推過程共分7個階段。
?。?）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1#臺；千斤頂頂起上1#臺（圖3）。
?。?）重復（2）、（3）步驟，頂推到達3#永久墩（圖4）。
?。?）拼裝49 m桁架（共175 m）（圖5）。
（6）重復（2）、（3）步驟，頂推到達6#永久墩（圖6）。
?。?）落梁，拆除臨時墩（圖7）。
根據設計頂推過程，桁架每頂推3.5 m作為一個工況，建立126 m、175 m的桁架模型，針對每個工況分別進行計算，并考慮部分臨時荷載，然后比較計算結果，得出最不利工況，及頂推過程中桁架受力規(guī)律。依據對桁架的計算結果，對下部結構進行驗算和指導施工監(jiān)測。
2.2 青尼羅河大橋鋼桁架橋結構構件由焊接型鋼代替軋制型鋼的設計
2.2.1 青尼羅河大橋鋼材料的設計與選用
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準生產的S355材質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，不會改變原設計桿件的截面特性和承載能力，所以承載能力與原設計相同，承載能力的驗算參見原設計計算書。焊縫尺寸詳見（表1）。
2.2.2 青尼羅河大橋焊縫尺寸的設計要求
對于焊縫尺寸，詳見（表1）。
對于本橋，桿件的受力分為兩種情況。
（1）軸向受力（圖7）。
在軸向力作用下，角焊縫的靜力強度按下式計算：
式中，為角焊縫的平均剪應力；
N為桿件的軸向內力；
AH為角焊縫的計算面積；
為角焊縫的全部計算長度；
為角焊縫的計算厚度；
為角焊縫的容許剪應力，其值與基本鋼材容許剪應力相同。
因此，當兩側焊縫喉厚之和大于腹板厚度時，式（1）必能成立。
（2）翼緣與腹板的連接焊縫的計算（圖8）。
焊接板梁系采用連續(xù)的翼緣焊縫，并用自動電焊機施焊?，F(xiàn)將翼緣焊縫的驗算方法敘述如下。 （1）水平剪應力：
式中，Q為梁所受的最大剪力（簡支梁的Q就是梁端剪力）；
Syi為一個翼緣截面對中性軸的面積矩；
Im為梁毛截面慣矩；
為腹板厚度；
?。?）翼緣焊縫的驗算公式：
而對于焊縫處，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，不需要對焊縫強度進行單獨驗算。
2.2.3 焊接殘余應力的處理
焊接殘余應力的存在對鋼結構的影響如何？根據試驗與理論研究，一般認為，若構件不發(fā)生脆性破壞，焊接殘余應力對構件的靜載強度無影響，但卻降低構件的疲勞強度（焊接桿件的疲勞強度驗算見附錄）。因此，應采用合理的構造及焊接工藝，以減小焊接應力對結構的不良影響。
為減小焊接殘余應力，對焊接工藝采用嚴格的要求。
?。?）焊接工作宜在室內進行，環(huán)境濕度應小于80%；焊接低合金鋼的環(huán)境溫度不應低于5 ℃，焊接普通碳素鋼不應低于0 ℃；主要桿件應在組裝后24 h內焊接。
?。?）焊接前必須徹底清除等焊區(qū)域內的有害物，焊接時嚴禁在母材的非焊接工藝評定部位引弧，焊接后應清理焊縫表面的熔渣及兩側的飛濺。
?。?）焊接材料應通過焊接工藝確定；焊劑、焊條必須按產品說明書烘干使用；焊劑中的贓物，焊絲上的油銹等必須清除干凈；CO2氣體純度應大于99.5%。
?。?）焊前預熱溫度應通過焊接性試驗和焊接工藝評定確定；預熱范圍一般為焊縫每側100 mm以上，距焊縫30～50 mm范圍內測溫。
?。?）埋弧自動焊必須在距設計焊縫端部80 mm以外的引板上起、熄弧。
（6）自動焊焊接過程中不應斷弧，如有斷弧則必須將停弧處刨成1∶5斜坡，并搭接50 mm再引弧施焊，焊后搭接處應修磨勻順。
?。?）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；冷矯時應緩慢加力，室溫不宜低于5 ℃，冷矯總變形量不得大于2%；熱矯時加熱溫度應控制在600 ℃～800 ℃，嚴禁過燒，不宜在同一部位多次重復加熱。
3 青尼羅河大橋的施工過程中的監(jiān)測工作
橋梁施工監(jiān)控是確保橋梁施工宏觀質量的關鍵。衡量一座橋梁的施工宏觀質量標準就是其成橋狀態(tài)的線形以及受力情況是否符合設計要求。為確保橋梁施工質量，對施工過程的監(jiān)控是必不可少的。隨著計算機應用的普及和發(fā)展，技術人員完全可以對多階段的施工方法進行模擬，可以預先計算出各階段內力和位移，稱之為預計值。將施工中的實測值與預計值進行比較，若有誤差可以調整，直到達到滿意的設計狀態(tài)。也就是通過施工控制，使各階段內力和變形達到預計值，最終達到設計要求，確保施工質量。監(jiān)測是橋梁施工控制的最基本手段之一。監(jiān)測包括物理監(jiān)測、線性和力學監(jiān)測（應力監(jiān)測、變形監(jiān)測）等。由于實橋的結構參數(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，因此在前期安裝設備時應進行實時調控，反復的進行試測。根據實際監(jiān)測結果分析、識別結構的實際參數(shù)，調整計算假定的參數(shù)，以指導控制、修正偏差的施工狀態(tài)，使其最大限度地逼近理想狀態(tài)。
為了消除因設計參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設計與實際的偏差，我們在施工過程中通過檢測對這些參數(shù)進行識別和正確估計。通過修正參數(shù)誤差，保證了施工控制數(shù)據的精確性，從而保證了施工過程中結構的受力安全和實現(xiàn)最終的成橋狀態(tài)。
橋梁施工各工序完成時間的數(shù)據在施工控制計算中直接影響到鋼桁梁計算。在設計計算中，這部分數(shù)據通常按施工技術水平進行估計。而在施工控制計算中，需要盡可能地采用實際的施工時間（與施工單位核定）參與計算。對因某種原因造成施工產生較長停頓時，應重新進行施工控制分析。時間的計量按年、月、日來計量。
橋梁施工過程中，環(huán)境溫度的大小及日照溫差會影響到結構體系內的內力分布；并且，結構的溫度變形還影響到施工中構件的架設精度及測量精度。對日照溫差影響較大的情況，一般要求標高測量在清晨日出前進行。在實際施工中，由于工期限制，某些工序的標高測量需要立即進行。把這樣測量的數(shù)據用于施工控制分析中時，就必須考慮溫度修正量。
施工監(jiān)控期間，溫度半個小時記錄一次。
線性和力學監(jiān)測、監(jiān)控在實施時第一步的工作是要形成控制的目標文件。施工監(jiān)測、監(jiān)控的預測計算將采用設計計算參數(shù)對施工過程進行分析，計算出控制目標的理論真值。理論真值由梁體理論撓度、梁體理論軸線、和梁體截面理論應力等系列數(shù)據組成。在這一計算過程中將與設計計算進行相互校核，以確?？刂频哪繕瞬慌c設計要求失真。
鋼桁梁應力測點布置詳見下圖，根據模擬結構分析和計算，桁架的最大應力都在桁架的前后35 m處，其中最大應力處桁架左右側均貼上數(shù)碼應變傳感器，便于左右側應力對方，其余測點為均布測點（圖10）。
鋼桁梁的撓度測點布置詳見附圖：測點1和測點5主要是測懸臂端的撓度，測點2、測點3和測點4主要是測成橋后的撓度。
在鋼桁架上貼厘米紙，用精密水準儀觀測桁架的撓度（圖11）。
在臨時墩和永久墩上部貼上厘米紙，用全站儀觀測橋墩變形情況。
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