青尼罗河大桥的设计与实践研究
2017-12-04
在科学技术高速发展的今天，虽然在一般情况下桥梁结构理论分析和受力计算上都不存在什么问题，但是桥梁设计者的设计意图能否真正得以实现往往还取决于施工技术。桥梁施工技术包含施工设计计算、施工方法、手段与工艺、施工控制等内容。事实上，任何桥梁施工，特别是大跨径桥梁施工，都是一个系统工程。在该系统中，设计图只是目标，而在自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中，将受到许许多多确定和不确定因素（误差）的影响，包括设计计算、材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的误差，施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识别（监测）、调整（纠偏）、预测，对设计目标的实现是至关重要的。
1 青尼罗河大桥工程概况
青尼罗河大桥位于BLUE NILE RIVER较为平坦和宽浅的河道处，桥梁西岸（ASSOSA方向）的桥台桩号为KM163+973.5，东岸（GUBA方向）的桥台桩号为KM164 +329.30，桥梁全长355.8 m。桥梁布局为：2×20 m（钢筋混凝土“T”梁）+70 m（钢桁架梁）+35 m（钢桁架梁）+70 m（钢桁架梁）+7×20 m（钢筋混凝土“T”梁）。青尼罗河大桥全长355 m，其中：钢桁架部分长度：175 m，最大跨度：70 m。
钢桁架梁采用顶推法施工，利用已经完成的钢筋混凝土桥面作为拼装场地，初步拟定在ASSOSA方向的混凝土桥面和与之相接的路面上拼装和顶推钢桁架梁，全桥钢梁需分三次拼装（70 m+35 m+70 m），三次顶推（35 m+35 m+105 m）。
钢梁的最大设计跨径为70 m（大于50 m），为减少顶推钢梁的悬臂长度和梁体过大的挠度，在3#墩和4#墩中间、5#墩和6#墩中间分别设1#和2#临时墩，此时顶推的最大悬臂长度缩减为35 m。
2 青尼罗河大桥的设计和实践
2.1 青尼罗河大桥钢桁架与顶推过程的设计
青尼罗河大桥将钢桁架简化为空间杆（梁）系结构，对于顶推过程中的不同工况，分别进行计算。采用框架单元来模拟钢桁架梁的杆件，可以准确模拟桁架各个部分的受力情况。
因桥面系在顶推过程中没有安装，故不考虑桥面系的作用和桥面系的荷载。
采用不同的边界条件来模拟顶推过程中滑道、千斤顶与桁架的接触。
顶推力与摩阻力平衡，根据竖向力计算摩阻力和顶推力，采用在钢桁架底部节点加水平力的形式模拟顶推力与摩阻力。
以上对模型的简化可以在保证模型准确性和计算结果可靠性的前提下，减少计算工作量。
设计顶推过程共分7个阶段。
（1）拼装126 m钢桁架，按35 m间距支起滑道（图1）。
（2）顶推21 m，采用千斤顶顶起桁架尾部，撤掉滑道（图2）。
（3）顶推28 m到达1#台；千斤顶顶起上1#台（图3）。
（4）重复（2）、（3）步骤，顶推到达3#永久墩（图4）。
（5）拼装49 m桁架（共175 m）（图5）。
（6）重复（2）、（3）步骤，顶推到达6#永久墩（图6）。
（7）落梁，拆除临时墩（图7）。
根据设计顶推过程，桁架每顶推3.5 m作为一个工况，建立126 m、175 m的桁架模型，针对每个工况分别进行计算，并考虑部分临时荷载，然后比较计算结果，得出最不利工况，及顶推过程中桁架受力规律。依据对桁架的计算结果，对下部结构进行验算和指导施工监测。
2.2 青尼罗河大桥钢桁架桥结构构件由焊接型钢代替轧制型钢的设计
2.2.1 青尼罗河大桥钢材料的设计与选用
青尼罗河大桥钢材料采用与原轧制型钢完全相同的欧洲标准生产的S355材质做为焊接型钢的板材。作为替换杆件的焊接型钢所采用的截面完全与原轧制型钢相同（比如：高、宽、翼缘厚度、腹板厚度等），所以替换后，不会改变原设计杆件的截面特性和承载能力，所以承载能力与原设计相同，承载能力的验算参见原设计计算书。焊缝尺寸详见（表1）。
2.2.2 青尼罗河大桥焊缝尺寸的设计要求
对于焊缝尺寸，详见（表1）。
对于本桥，杆件的受力分为两种情况。
（1）轴向受力（图7）。
在轴向力作用下，角焊缝的静力强度按下式计算：
式中，为角焊缝的平均剪应力；
N为杆件的轴向内力；
AH为角焊缝的计算面积；
为角焊缝的全部计算长度；
为角焊缝的计算厚度；
为角焊缝的容许剪应力，其值与基本钢材容许剪应力相同。
因此，当两侧焊缝喉厚之和大于腹板厚度时，式（1）必能成立。
（2）翼缘与腹板的连接焊缝的计算（图8）。
焊接板梁系采用连续的翼缘焊缝，并用自动电焊机施焊。现将翼缘焊缝的验算方法叙述如下。 （1）水平剪应力：
式中，Q为梁所受的最大剪力（简支梁的Q就是梁端剪力）；
Syi为一个翼缘截面对中性轴的面积矩；
Im为梁毛截面惯矩；
为腹板厚度；
（2）翼缘焊缝的验算公式：
而对于焊缝处，要求：
因此，如果，即2倍的焊缝尺寸大于腹板厚度，即可达到和母材一样的抗剪能力。
从（表1）中可见，在此次杆件替换中，所采用的焊缝尺寸均满足2倍的喉厚大于腹板厚度，因此，不需要对焊缝强度进行单独验算。
2.2.3 焊接残余应力的处理
焊接残余应力的存在对钢结构的影响如何？根据试验与理论研究，一般认为，若构件不发生脆性破坏，焊接残余应力对构件的静载强度无影响，但却降低构件的疲劳强度（焊接杆件的疲劳强度验算见附录）。因此，应采用合理的构造及焊接工艺，以减小焊接应力对结构的不良影响。
为减小焊接残余应力，对焊接工艺采用严格的要求。
（1）焊接工作宜在室内进行，环境湿度应小于80%；焊接低合金钢的环境温度不应低于5 ℃，焊接普通碳素钢不应低于0 ℃；主要杆件应在组装后24 h内焊接。
（2）焊接前必须彻底清除等焊区域内的有害物，焊接时严禁在母材的非焊接工艺评定部位引弧，焊接后应清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅。
（3）焊接材料应通过焊接工艺确定；焊剂、焊条必须按产品说明书烘干使用；焊剂中的赃物，焊丝上的油锈等必须清除干净；CO2气体纯度应大于99.5%。
（4）焊前预热温度应通过焊接性试验和焊接工艺评定确定；预热范围一般为焊缝每侧100 mm以上，距焊缝30～50 mm范围内测温。
（5）埋弧自动焊必须在距设计焊缝端部80 mm以外的引板上起、熄弧。
（6）自动焊焊接过程中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处刨成1∶5斜坡，并搭接50 mm再引弧施焊，焊后搭接处应修磨匀顺。
（7）焊接杆件的矫正：矫正后的杆件表面不得有凹痕和其他损伤；冷矫时应缓慢加力，室温不宜低于5 ℃，冷矫总变形量不得大于2%；热矫时加热温度应控制在600 ℃～800 ℃，严禁过烧，不宜在同一部位多次重复加热。
3 青尼罗河大桥的施工过程中的监测工作
桥梁施工监控是确保桥梁施工宏观质量的关键。衡量一座桥梁的施工宏观质量标准就是其成桥状态的线形以及受力情况是否符合设计要求。为确保桥梁施工质量，对施工过程的监控是必不可少的。随着计算机应用的普及和发展，技术人员完全可以对多阶段的施工方法进行模拟，可以预先计算出各阶段内力和位移，称之为预计值。将施工中的实测值与预计值进行比较，若有误差可以调整，直到达到满意的设计状态。也就是通过施工控制，使各阶段内力和变形达到预计值，最终达到设计要求，确保施工质量。监测是桥梁施工控制的最基本手段之一。监测包括物理监测、线性和力学监测（应力监测、变形监测）等。由于实桥的结构参数的变易性，加工、制作、安装等施工误差，施工环境、现场条件的变易等诸多因素的影响，如先期土建施工的误差、材性、几何尺寸、安装精度、施工荷载、环境温度等误差，因此在前期安装设备时应进行实时调控，反复的进行试测。根据实际监测结果分析、识别结构的实际参数，调整计算假定的参数，以指导控制、修正偏差的施工状态，使其最大限度地逼近理想状态。
为了消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的偏差，我们在施工过程中通过检测对这些参数进行识别和正确估计。通过修正参数误差，保证了施工控制数据的精确性，从而保证了施工过程中结构的受力安全和实现最终的成桥状态。
桥梁施工各工序完成时间的数据在施工控制计算中直接影响到钢桁梁计算。在设计计算中，这部分数据通常按施工技术水平进行估计。而在施工控制计算中，需要尽可能地采用实际的施工时间（与施工单位核定）参与计算。对因某种原因造成施工产生较长停顿时，应重新进行施工控制分析。时间的计量按年、月、日来计量。
桥梁施工过程中，环境温度的大小及日照温差会影响到结构体系内的内力分布；并且，结构的温度变形还影响到施工中构件的架设精度及测量精度。对日照温差影响较大的情况，一般要求标高测量在清晨日出前进行。在实际施工中，由于工期限制，某些工序的标高测量需要立即进行。把这样测量的数据用于施工控制分析中时，就必须考虑温度修正量。
施工监控期间，温度半个小时记录一次。
线性和力学监测、监控在实施时第一步的工作是要形成控制的目标文件。施工监测、监控的预测计算将采用设计计算参数对施工过程进行分析，计算出控制目标的理论真值。理论真值由梁体理论挠度、梁体理论轴线、和梁体截面理论应力等系列数据组成。在这一计算过程中将与设计计算进行相互校核，以确保控制的目标不与设计要求失真。
钢桁梁应力测点布置详见下图，根据模拟结构分析和计算，桁架的最大应力都在桁架的前后35 m处，其中最大应力处桁架左右侧均贴上数码应变传感器，便于左右侧应力对方，其余测点为均布测点（图10）。
钢桁梁的挠度测点布置详见附图：测点1和测点5主要是测悬臂端的挠度，测点2、测点3和测点4主要是测成桥后的挠度。
在钢桁架上贴厘米纸，用精密水准仪观测桁架的挠度（图11）。
在临时墩和永久墩上部贴上厘米纸，用全站仪观测桥墩变形情况。
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