青尼羅河大橋的設(shè)計與實踐研究
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)理論分析和受力計算上都不存在什么問題，但是橋梁設(shè)計者的設(shè)計意圖能否真正得以實現(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)計計算、施工方法、手段與工藝、施工控制等內(nèi)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(shè)計圖只是目標，而在自開工到竣工整個為實現(xiàn)設(shè)計目標而必須經(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(diào)整（糾偏）、預(yù)測，對設(shè)計目標的實現(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(jīng)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(shè)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(shè)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(shè)計和實踐
2.1 青尼羅河大橋鋼桁架與頂推過程的設(shè)計
青尼羅河大橋?qū)撹旒芎喕癁榭臻g桿（梁）系結(jié)構(gòu)，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(jù)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(jié)果可靠性的前提下，減少計算工作量。
設(shè)計頂推過程共分7個階段。
（1）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(fù)（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）。
?。?）重復(fù)（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(jù)設(shè)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(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)對桁架的計算結(jié)果，對下部結(jié)構(gòu)進行驗算和指導(dǎo)施工監(jiān)測。
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
2.2.1 青尼羅河大橋鋼材料的設(shè)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(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，不會改變原設(shè)計桿件的截面特性和承載能力，所以承載能力與原設(shè)計相同，承載能力的驗算參見原設(shè)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(shè)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。
?。?）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(yīng)力；
N為桿件的軸向內(nèi)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(yīng)力，其值與基本鋼材容許剪應(yīng)力相同。
因此，當兩側(cè)焊縫喉厚之和大于腹板厚度時，式（1）必能成立。
?。?）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(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(yīng)力的處理
焊接殘余應(yīng)力的存在對鋼結(jié)構(gòu)的影響如何？根據(jù)試驗與理論研究，一般認為，若構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞，焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件的靜載強度無影響，但卻降低構(gòu)件的疲勞強度（焊接桿件的疲勞強度驗算見附錄）。因此，應(yīng)采用合理的構(gòu)造及焊接工藝，以減小焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不良影響。
為減小焊接殘余應(yīng)力，對焊接工藝采用嚴格的要求。
?。?）焊接工作宜在室內(nèi)進行，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，焊接時嚴禁在母材的非焊接工藝評定部位引弧，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%。
?。?）焊前預(yù)熱溫度應(yīng)通過焊接性試驗和焊接工藝評定確定；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)測溫。
?。?）埋弧自動焊必須在距設(shè)計焊縫端部80 mm以外的引板上起、熄弧。
?。?）自動焊焊接過程中不應(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%；熱矯時加熱溫度應(yīng)控制在600 ℃～800 ℃，嚴禁過燒，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)量標準就是其成橋狀態(tài)的線形以及受力情況是否符合設(shè)計要求。為確保橋梁施工質(zhì)量，對施工過程的監(jiān)控是必不可少的。隨著計算機應(yīng)用的普及和發(fā)展，技術(shù)人員完全可以對多階段的施工方法進行模擬，可以預(yù)先計算出各階段內(nèi)力和位移，稱之為預(yù)計值。將施工中的實測值與預(yù)計值進行比較，若有誤差可以調(diào)整，直到達到滿意的設(shè)計狀態(tài)。也就是通過施工控制，使各階段內(nèi)力和變形達到預(yù)計值，最終達到設(shè)計要求，確保施工質(zhì)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(xué)監(jiān)測（應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測）等。由于實橋的結(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)備時應(yīng)進行實時調(diào)控，反復(fù)的進行試測。根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果分析、識別結(jié)構(gòu)的實際參數(shù)，調(diào)整計算假定的參數(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)計參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設(shè)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(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(jù)在施工控制計算中直接影響到鋼桁梁計算。在設(shè)計計算中，這部分數(shù)據(jù)通常按施工技術(shù)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(chǎn)生較長停頓時，應(yīng)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(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(jù)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(xué)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(yù)測計算將采用設(shè)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(yīng)力等系列數(shù)據(jù)組成。在這一計算過程中將與設(shè)計計算進行相互校核，以確?？刂频哪繕瞬慌c設(shè)計要求失真。
鋼桁梁應(yīng)力測點布置詳見下圖，根據(jù)模擬結(jié)構(gòu)分析和計算，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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