1915 恰纳卡莱大桥系列 03
独立设计审核
RichardHornby, Arup Fellow, Long Span Bridges; ARUP
KetilAas-Jakobsen, Senior Engineer, Long Span Bridges; Aas-Jakobsen
LarsHalvor Kaasa, Senior Engineer, Long Span Bridges; Aas-Jakobsen
JamesGo, Associate Director, Earthquake Geotechnics; ARUP
引言
任何复杂的桥梁都需要进行独立的设计审核或检查，以在结构和施工中提供额外的可靠性保证。这一点在像 1915 恰纳卡莱大桥 这样的桥梁中更是如此，这座桥正在打破以前取得的成就。这项审核完全独立于指导原则，以核实施工文件为目的，而不是计算。承包商是根据图纸和规范建造，而不是根据计算结果。当发生事故时，往往是因为已经建造的混凝土和钢材出现问题。因此，需要检查作为施工基础的设计结果。检查计算存在太多陷阱——它可能由于采用了有缺陷的方法，变成了一次简单的数值检查。这也会导致无法检查出设计目的是否准确表现到图纸上。通过进行独立审核，在任何构件施工前，设计方和独立验算方都能够确保设计正确。理论上，在进行完全独立审核的情况下，设计中出错的概率会减少到由设计单一方产生的误差概率的平方项。这使得设计的安全性和可靠性都提高了一个数量级。另一方面，在发布施工信息方面又采取了进一步的措施。在设计和搭建环境中，这个步骤几乎是项目完成的关键路径，尤其是对于要建造的第一个构件。因此，检查过程不能是接续进行的过程。设计和验算之间必须有重叠，并尽量减少它们之间的延迟。主要分析的协作和比较是达成这个目标的关键。独立设计审核方自然不是一个受欢迎的角色，因为最好的情况是同意当前的计划，最坏的情况则是带来要求变更和增加成本的坏消息。然而，其价值在于提供了保证和安全，这一点受到业主和承包商的赞赏。这样的结果是给出行的公众和桥梁的施工方提供了一个更安全的结构。
对于 1915 恰纳卡莱大桥，业主方土耳其交通部（ KGM ）规定，承包商 DLSY 应为所有的永久工程提供独立的设计审核。这在大型桥梁设计和建造项目中是比较常见的，虽然有时候客户会选择直接雇佣检查人员。但是不同寻常的是， DLSY 增加了对几乎所有临时工程的审核。 2017 年 7 月， DLSY 委托奥雅纳（ Arup ）和（ Aas-Jakobsen ）作为独立设计审核单位（ IDV ）。 IDV 从 DLT 工程公司（猫道和电缆施工）和 Tony Gee 公司（箱梁起重龙门架）获得了对临时工程的进一步专业支持。
本文将分析所采用的验证过程和促成其成功的措施，并对验证过程中进行的独立分析和检查进行一些讨论。
验证过程
验证过程如下图 1 所示。从正式向 IDV 提交设计文件到返回意见或认证，这之间的间隔时间仅有 14 天。
图 1 验证流程
为了做到这一点，所有人都采取了关键的措施，让 14 天的时间成为审核的最后阶段，而不是审核的整个过程。以确保迅速解决意见，制定了一种协作和前瞻性的方法。该过程包括：
1. 设计依据
2. 初步设计资料
3. 整体分析模型比较
4. 文件的非正式发布
5. 意见解决
1 、设计依据
设计依据是所有桥梁设计的基础，它包括了设计中需要满足的所有要求。它需要根据项目具体情况来涵盖桥梁的功能要求，并确定现场具体的设计条件 ( 地质条件、地震作用、风荷载、意外情况等 ) 。本项目使用欧洲规范，这是一套综合全面的规范，但该桥主跨度达到 2023m ，在某些方面超出了规范应用要求，因此需要根据具体情况进行调整和扩展。设计基础和 KGM 技术要求是设计审核证书（ DVC ）中引用的主要文件，根据合同要求和对事实数据的独立解释，这是第一个需要进行审核的项目。但应注意的是，由于进一步的数据收集工作（例如风洞试验）或施工方法和顺序的进一步调整，需要变更设计要求。因此，该文件在设计期间是动态调整的。
2 、初步设计资料
在快速交付过程中，必须要尽早确定初步设计，因为每个施工构件的要求与整个结构的性能都有着内在联系。在审核单个构件之前，必须对整个结构的初步设计有充分的确定。恰纳卡莱大桥采用了分阶段的程序。首先，定义总体几何形状和主要设计指标，以便进行初步分析。此后，对于主要结构项目，提交了完整设计方案的 40% 进行验证。这保证了分析模型的早期开发和大多数设计意图的沟通交流。这些方案被 IDV 审核通过，但不是 “ 用于施工 ” ，而是 “ 能够发展成符合要求的最终设计方案 ” 。除了允许提前开始检查之外，对 40% 完整设计方案的审核可以使人们尽早注意到设计师和 IDV 之间的任何显著差异。
3 、整体分析模型
设计和检查的基础是整体分析模型。设计师和 IDV 都分别建立了独立的模型，但作为设计需求或结构性能差异的源头，这些模型的结果差异需要消除。在整个项目中，对整体分析模型的结果进行比较，并了解任何差异的来源，商定统一的方法，或者接受差异。这可能被视为设计师和 IDV 之间失去了独立性，但实际上，对结果的比较和协调是对设计师和 IDV 分析模型的检查。负责每个分析模型的分析员之间的开放式沟通渠道极大地帮助了这一过程，并在早期阶段就纠正了对结构的不同理解。
4 、文件的非正式发布
能够减小设计和审核之间滞后情况的一项小措施是将每个方案包非正式地发给 IDV 。每个设计方案在提交给 IDV 进行审核认证之前都需要经过 DLSY 的审查。为了尽早开始审查过程，一致同意在 DLSY 审查之前将设计方案以预先非正式副本地形式发给 IDV 。
5 、意见解决
这里还存在一个风险，那就是 IDV 和设计师之间的意见和反馈的循环，它可能会占用项目完成的关键时间。除非 IDV 详细解释出他们意见的必要性，而设计师反过来证明他们所提供的信息是合理的，否则双方的观念立场可能会根深蒂固。要做到这一点，双方都必须向对方敞开心扉。这不是对彼此工作的详细检查，因为这会削弱方法的独立性，但允许彼此互相质疑，并被说服意见是否有效。如果收到了重要意见， DLSY 会召开当面的意见解决会议。这样可以避免反馈回路的循环，并迅速消除差异的来源。公开对话和准备接受双方审查使得这些会议特别有效。
示例审核工作
抗风工程
由于 1915 恰纳卡莱大桥跨度很大，主跨 2023m ，世界第一，同时还有着 318m 高的主塔，所以风荷载是主要荷载之一。在极端荷载水平下，它不仅挑战结构的极限承载能力，在极端风速下，还会导致结构疲劳损伤的积累、降低行车舒适度和稳定性。为了保证行人和车辆的舒适度，桥面在垂直和水平方向的移动都设置了加速度的接受限值。这些标准基于 ISO 晕车标准，桥面水平阵风风速低于 15m/s 时，两个方向的风速设置为 0.196m/s 2 （均方根值）。
为了对现场拟定的风气候进行独立检查，我们对其进行了独立分析。这是通过组合两个数据集（ WRF 和 Merra ）并将结果插值到桥梁位置来实现的。该方法创建了一个长达 38 年的时间序列，构成了设计风速统计估计的基础。除设计风速外，还获得了长期风速分布，这与风动疲劳计算和评估超过特定风速阈值的频率有关。该方法表明，为桥梁选择的风参数略显保守。确保大跨度桥梁足够安全的要求之一是证明其满足 高风速下的稳定性要求。
- 最大限度地减少空气动力载荷，从而实现结构的经济性；
- 最大限度地减少在常遇风速下极易发生涡激共振 ，这确保了桥梁使用时的舒适性和可靠性；
- 最大限度地提高结构失稳临界风速，以满足基本安全要求。
截面模型试验是证明横截面具有所需特性的有效方法。然而，对于同时存在多个主动模态的大跨度桥梁来说，横截面的空气动力学特性会影响其阻尼和刚度，从而导致模态耦合。这可能更容易导致模态耦合，因此，将颤振起始速度更改为与风洞中记录的不同的值。为了说明这种可能性，我们对桥梁的预期稳定极限进行了独立检查。我们从我们独立的整体分析模型中提取动力学特性，并将其与横截面风洞试验的气动导数相结合，并使用多模态颤振分析计算颤振起始速度。这表明横截面具有足够的安全性，可以向前移动，并在早期就打消了我们的顾虑，确保在颤振稳定性方面不会出现任何意外，这一点后来通过全桥模型试验得到证实。
整体分析模型
整体分析模型（ GAM ）是独立审核的核心。该模型提供了进行独立审核所需的所有结果。我们的模型是根据客户提供的信息建立的，包括图纸和设计依据。由于结构的非线性行为，我们选择 RM bridge 作为 GAM 分析工具。由于项目的快速性，几乎没有时间可以延迟，我们发现在项目早期与设计师创建一个通用的全局分析基线非常重要。在早期阶段制定这个基线的关键是，如果在后期发现重大差异，要避免项目倒退。然而，该基线必须 以一种保持两个团队之间独立性的方式来执行。 这是通过一系列会议完成的，其中涵盖了关键的静载荷、动力特性和参考风载荷，而没有计算设计基准中定义的实际载荷。总的来说，在这个过程中表现出了良好的一致性，对于最重要的受力方面，我们的模型之间的差异小于 1% 。这些检查中的一个重要且具有挑战性的问题是模态和振动频率的比较，因为这是颤振风洞试验动态响应和模态选择的基础。由于振动频率与模态刚度除以模态质量的平方根成正比，频率中较小的数值差异可能就会掩盖刚度和质量中的大误差，因此，建议仔细检查这些结果，以识别不太明显的主要差异。在几次会议之后，各方都对结果感到满意，我们继续施加设计荷载和组合。
图 2 全桥分析模型中的欧洲侧桥塔（ GAM v3.5 ）。亚洲塔从系梁到顶部都是相同的，但使用了 7000/57000 系列构件，而不是 6000/56000 。图中展示了所有构件的横截面和体积。沉箱在模型中进行了简化，但重量和质量正确。沉箱看起来是空心的，但很重
总的来说，我们认为这一过程是确保项目按照具有挑战性的时间进度进行的关键。该桥的一个特别之处在于它的分体双箱结构，每隔 24 米设置一道横梁。这种设计对于满足极端风速下的稳定性要求和控制低风速下的涡流脱落是必要的。在分析中模拟空气动力学特性时，这种设计带来了挑战。与可或多或少直接使用在风洞中获得的空气动力系数的整体箱梁结构不同，分体结构的空气动力系数需要在两个钢箱梁之间分别设置，以便正确模拟风荷载和空气动力阻尼。例如，分体桥梁的扭转空气动力阻尼将由每个箱梁的升力项和力矩项产生。通过将风荷载施加到无质量、非结构的风荷载元件，以获得风洞试验定义的特性，从而解决这一问题。在我们的模型中建立了几个复杂的属性。其中一个是缓冲区。阻尼器连接在桥面和桥塔之间，其设计允许缓慢运动，如温度变化和交通 UDL 位移，但会阻止地震、强风或过往卡车等引起的快速移动。
图 3 全桥分析模型中的欧洲侧引桥（ GAM v3.5 ）
PE1 桥墩与刚性锚块刚性连接
图 4 全桥分析模型中的亚洲侧引桥（ GAM v3.5 ）
PA6 桥墩与刚性锚块刚性连接
图 5 SIB 上的纵向剪力
每个桥塔都由两个阻尼器连接到每个塔柱，两个阻尼器的最大阻力均为 5 MN 。在 GAM 中，这些被简化为每个支腿上的一系列元件，最大阻力为 10 MN 。这些缓冲区的建模是通过连接一系列阻尼元件来完成的，每个阻尼元件都具有使它们总体上给出期望行为的特性。
示例建模方法包括土壤 - 结构相互作用弹簧和隔震支座（ SIB ）性能。
桥塔基础
桥塔基础是施工中的一个关键要素，需要进行复杂的分析，以验证其在永久作用、风荷载、地震作用和船舶撞击作用下的性能，并考虑到其位于深水中，建立在 10 至 20m 厚的松散砂层和软粘土上，硬粘土和非常弱至弱的泥岩。
图 6 桥塔不同组件详图
塔基由砾石层上的混凝土沉箱组成，由桩基支撑。这一概念的灵感来自 Rio-Antirion 大桥的基础，并用于伊兹米特大桥（ Osmangazi 大桥）。这一巧妙的设计使得砾石层可以充当 “ 保险丝 ” ，并允许沉箱独立于地面移动，这对于船舶撞击和地震震动等动态载荷至关重要。用桩基加固地基，以减少使用阶段的沉降，并在极端荷载期间增强承载能力。
建造混凝土沉箱本身就是一项重大工程。建造了一个 300m x 300m 的干船坞和一个大型湿船坞和码头结构，这两个结构都是 IDV 审核范围的一部分。混凝土沉箱是在干船坞上建造的。沉箱准备好后，干船坞灌水，见图 7 。
图 7 漂浮状态的混凝土沉箱
随后，沉箱被浮运至湿船坞（如图 8 所示），继而运输至桥塔位置
图 8 系泊中的混凝土沉箱
于桥塔基础处，挖除表层松散砂，并将超过 200 个直径为 2.5m 的桩基 / 钢管桩打入泥岩。然后在沉箱下沉之前倾倒砾石以形成砂砾层。虽然基础的概念被认为适用于现场，但它无法精准评估各个组件的性能，尤其在受到地震荷载的工况下。除了评估软土是如何影响桥塔的响应情况，也有必要对桩基和砂砾石垫层对桥塔的响应的影响进行评估。桩基的存在将导致该区域的地层移动与周围“自由区域”的地层移动相偏离，同时砂砾石垫层将引起桥塔 - 土壤接触面在横向上的附加力。
为评估此复杂桥塔基础，决定采用直接法来明确模拟发生在桥塔基础上的复杂的土壤 - 结构动力相互作用 (DSSI) 。直接法需要对塔的上部结构或荷载、砂砾石垫层、桩基和土壤进行详细建模，如图 9 所示。
图 9 DSSI 模型（包含桥塔、砾石层、桩基和土壤）
采用梁、壳单元以及集中质量对桥塔以及沉箱进行建模，以捕捉其惯性响应。采用具有等效截面特性的梁单元模拟桩基，并使用非线性弹簧将其连接至土壤单元。使用非线性模型对土壤进行建模，该模型可以反映土壤刚度随应变增大和滞后阻尼而降低的情况。然后在模型底部施加剪应力时程，将剪切波传播到地表和桥塔。使用显式三维有限元程序 LS-DYNA 进行 DSSI 分析。 LS-DYNA 能够解决几何和材料高度非线性的三维问题。奥雅纳公司是使用 LS-DYNA 解决土木工程问题，并实现其在适用于土木工程问题的领域的进一步开发的先驱。
直接法可以精确地表示土壤和结构响应的非线性，避免了传统子结构方法在叠加过程中假设线性的缺陷。传统的子结构方法使用单独的模型对某些基础和桥塔进行建模，通常成本更低，且执行速度更快。然而，这种方法严重限制了土壤、桩基、沉箱和桥塔之间的相互作用，并且在分析的每个阶段或界面都使用了保守的假设。外，在子结构方法中，无法准确得到土壤的非线性响应、土壤阻尼、桩基、砂砾石垫层和桥塔的有利影响。
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在建立模型和理解结果方面需要专业知识。因此，奥雅纳利用其数值建模专家、自动化脚本和高性能计算
(HPC)
集群高效地构建模型、运行分析并对结果进行后处理。
作为一个额外的好处，现有的模型，然后可以用于其他评估，如船舶影响和沉降分析，稍加调整。此外，只需对现有模型稍作调整，即可应用于其他评估，例如船舶影响和沉降分析。使用后处理器和自动化脚本可以方便高效地实现可视化和提取结果，如图 10 所示。
图 10 刚性桩基的横向位移
例如，对于 200 多个桩基，很容易包络每个桩段和每个时间步长的弯矩，以检查桩是否已达到其结构承载力，如图 11 所示。
图 11 不同弯矩水平下桩身弯矩
同样的方法也可应用于定位关键桩（例如最大和最小弯矩和剪力），并将结果绘制在典型的轴力 - 弯矩（ N-M ）图中，以评估结构承载力，如图 12 所示。
图 12 桩身 N-M 曲线
施工阶段
除了完成桥梁的设计验证外， IDV 还对所有施工阶段进行了详细的全局分析，包括桥塔架设、猫道施工、主缆安装和桥面架设，所有这些都遵循设计师提供的施工顺序。
为了有效地处理更改 ( 更不用说其本身的大量阶段 ) ，通过大量使用 TCL 和 python 编程实现了分析设置和后处理的自动化。 TCL 是 RM Bridge 可以理解的语言， python 是通用编程语言。最后，共定义了 185 个施工阶段，分两批进行分析。前 31 个阶段是模拟桥塔架设，而随后的 154 个阶段开始安装主缆，直至沉降稳定。为了确保每个阶段内结构状态（力 / 力矩和位移）的准确性，整个施工顺序在同一模型上分阶段运行。然后将其用作每个阶段的风、温度和施工荷载分析的参考状态。临时结构、电缆和接头需要对已完成的桥梁模型进行大量扩建。已完成的桥梁 GAM 有 2612 个单元，塔架安装则需要 739 个附加单元。主缆和箱梁安装（包括下拉索和猫道）需要 5807 个附加单元，其单元数量是已完成桥梁的单元数量的两倍多，其中大部分单元来源于猫道模型的细节。临时结构、脚手架和焊接平台会加剧风对结构的影响，这在相关阶段均有体现。如何对扭转振动施加正确的空气动力学阻尼是前处理中出现的一个富有趣味的挑战。当在抖振计算中按照大多数分析软件的常规程序使用准静态表达式时，该阻尼取为零。风洞试验表明情况并非如此。对于已完工的桥梁而言，桥面两端通常有扭转约束，抖振的实际影响可以忽略不计。对于如图 13 所示的施工阶段，其中边跨仅在一端受到扭转约束，但这确实对约束力有显著影响。
图 13 整体分析模型（施工分析中未考虑引桥）
IDV 除了在早期阶段提供建筑工程的全面验证并发现可能的问题外，还能够增强 DLSY 对施工期间桥梁性能的理解。我们还提供了其他细节，如个别阶段更详细的天气限制条件。
图 14 从左到右：桥塔安装模型、塔式起重机全模型，等效模型、塔式起重机、横截面和构件
图 15 猫道模型细节
图 16 桥面临时释放连接建模详情
图 17 临时吊架（ TH1-TH3 ）、临时支架的建模
结论
独立设计验证适用于 1915 恰纳卡莱大桥的所有永久性工程和临时工程的主要部分。 Arup 和 Aas-Jakobsen (AAJ) 通过完全独立的分析、计算和图纸 / 规格审查进行验证工作。如上例所示，高度复杂和专业的技术为此项工作提供支持。 AAJ 、 DLSY 和 COWI 之间的合作和对话显著推动了这一独立进程的顺利进行。最终结果为，独立设计验证提高了永久性结构和施工阶段的安全性和保证，并为整个项目的成功做出了贡献。
翻译：石珩、杨诗晴、董佳霖
编辑：董佳霖
校核：王昌将
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