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《铁道部科学研究院》 2007年
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南京长江三桥钢塔节段制造及整体预拼的三维仿形分析

王辉  
【摘要】: 悬索桥和斜拉桥中,主塔是支撑索的重要受力构件。而且,主塔呈直立状,高达数十米至二三百米,大型钢塔通常分成多节段在工厂制造,现场逐段吊装,故而垂直度精度要求较高,在制造上与呈水平状的钢梁有很大不同。另外,主塔的形状对悬索桥和斜拉桥的整体造型有很大影响,左右了桥梁整体景观效果(自身的形状美和与周边环境的协调美)。 近代/现代悬索桥已有100余年的历史,斜拉桥的推广和发展也有50年。其中,悬索桥从1903年的美国Williamsburg桥至1998年的日本明石海峡桥(跨长1991m,塔高285m);斜拉桥从1955年的Str(o|¨)msund桥,至1999年的日本多多罗桥(跨长890m,塔高220m),基本上都采用钢塔。近20年来,出于主塔自身经济性的考虑,欧洲一些少量大跨度悬索桥和斜拉桥已开始采用钢筋混凝土塔,如英国的Humber桥(悬索桥,1981年,跨长1410m,塔高155.5m),法国的Normandia桥(斜拉桥,1995年,跨长856m,塔高203m),丹麦的Great Belt桥(悬索桥,1998年,跨长1624m,塔高254m)。然而,基于钢塔具有重量轻,施工速度快,抗震性能好等优点,日本、美国、欧洲等地在设计主塔时,仍然优选钢塔。 我国自上世纪90年代以来,建成了数十座大跨度悬索桥和斜拉桥,都采用钢筋混凝土塔(RC塔)。究其原因,除了单纯考虑主塔自身造价的因素外,还有设计和施工方面的原因,以及对钢塔制造和架设精度的担心。当然,在强震区、沿海和软土地区建设的大规模RC塔,也将面临着抗震性、耐久性的考验。 南京长江三桥(斜拉桥,主跨648m,塔高215m,已于2005年竣工)是我国建设的第一座钢塔斜拉桥。如何借鉴国外钢塔在设计、制造和架设等方面积累的经验,并结合我国的实际情况,建设好我国第一座钢塔,尤其是,使我国钢塔制造技术赶上世界先进水平,对我国钢塔今后的推广和发展具有重要意义,这也是本文研究的重点。这里,借参与南京长江三桥钢塔制造的机遇,对世界各国钢塔制造技术的演变和发展作一系统的回顾,对南京长江三桥钢塔的制造技术作一总结。 主要研究内容如下: (1)钢塔制造的发展历程及技术特点 100余年来,钢塔制造经历了从铆接结构向焊接结构的转变,伴随着,钢塔在结构、制造、节段连接和吊装等技术上也发生了巨大变化。尤其是为满足钢塔垂直度精度要求,求塔柱轴线方法的演变,以及塔柱节段制造、端面机械切削和预拼装检验方法等均有不断改进。到20世纪90年代末建设的日本明石海峡桥、多多罗桥和来岛大桥,钢塔制造已经把计算机控制的信息技术逐步融入传统的钢结构制造中。 (2)南京长江三桥钢塔的受力状态再分析 斜拉桥是内外高次超静定结构,在自重、斜拉索垂直分力和水平分力、塔顶偏位、风载、温度差以及地震力等组合荷载作用下,钢塔是受压为主的压弯构件。因此,主塔的受力分析、结构设计和节段间的连接设计等也是制造加工方法和精度控制的重要依据。本章基于南京长江三桥的原设计资料,对钢塔受力状态进行了再分析,对钢塔柱节段之间的水平接头采用“端面金属接触+张拉型高强度螺栓”连接进行了设计,并与原先“端面金属接触+摩擦型高强度螺栓”连接设计进行了比较,以利于今后应用参考。 (3)钢塔的制造(组装及焊接) 钢塔呈直立状,是支撑斜拉索的重要受力构件,考虑其结构特点、受力状态和架设方法等因素,参照日本明石海峡桥的钢塔制造精度标准,提出了南京长江三桥钢塔节段制造精度标准(断面边长误差≤±2mm,对角线误差≤±3mm,扭转误差≤3mm)。基于此,设计了钢塔节段制造的思路;制定了一整套工艺方案,包括:下料尺寸、组装精度和焊接变形控制、焊缝设计等。采用上述合理的制造方案和工艺细节措施,使各节段断面尺寸、扭转变形、直线度(包括弧形节段的弧度)都控制在预定的精度范围内。 (4)钢塔节段端面机械切削加工及精度管理 南京长江三桥每个钢塔柱共有22个节段,节段间采用“端面金属接触+摩擦型高强度螺栓”连接传力,这就要求每个节段有很高的端面机械切削加工精度,如:端面平面度≤0.25mm,粗糙度≤12.5μm,节段轴线与端面直角度≤20″(1/10000)。然而,影响切削加工精度的因素很多,忽略其中任何一项因素都可能消耗掉所设定的精度误差,所以,需研究精确的精度控制系统。本章重点介绍了节段端面机加工系统和精度控制的方法。采用了API自动跟踪激光测量技术、再现节段自然状态的支点反力控制技术及精密机械切削技术,把计算机信息化技术用于传统的钢结构制造。 (5)计算机三维预拼分析 即使单个节段都满足机加工精度标准要求,在现场逐段吊装时,如果各节段轴线与端面直角度的误差(20″)都在同一方向,塔柱的垂直度将会超过1/10000,何况安装时也会产生误差。另外,由于在室外进行二节段连续匹配预拼,难以避免过大的温度差的影响。如何预测钢塔的拼装精度,是令人担心的问题,也一直是世界各国孜孜以求的课题。本文利用API自动跟踪激光测量仪测量反映节段几何形状的特征点(端面角点)的三维坐标,模仿逐段架设状态,进行计算机3D仿真分析,直接输出轴线偏位、垂直度、塔壁错边量等各项误差。为实现这一技术,自编了计算程序,并对该程序进行了检验,取得了很好的应用效果。 (6)钢塔架设概要 本章概要介绍了大规模钢塔的架设方法,南京长江三桥钢塔架设的实测精度。实测值、二节段连续匹配预拼测量值、与计算机3D仿真分析值有较好的一致性。
【学位授予单位】:铁道部科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U445.4

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