關(guān)于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)探討

吳寬

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，杭州310000）

1 引言

目前，我國(guó)道路交通事業(yè)已步入新發(fā)展階段，橋梁建設(shè)已成為公共交通建設(shè)的核心構(gòu)成，其不受空間限置，與道路及隧道形成廣闊的交通路網(wǎng)，為人們生產(chǎn)、生活提供便利，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是，近幾年隨著橋梁坍塌、斷裂等現(xiàn)象頻頻發(fā)生，給人們生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，所以國(guó)家對(duì)橋梁設(shè)計(jì)日益重視。鋼結(jié)構(gòu)作為橋梁核心構(gòu)成，為消除各類不安全因素，提升橋梁承載力，需將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案予以優(yōu)化及完善，保證鋼結(jié)構(gòu)方案的合理性及全面性，為橋梁安全性及整體性提供保障。

2 鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)理念

2.1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體性設(shè)計(jì)目標(biāo)

橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計(jì)主要核心為：確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)在特定使用年限內(nèi)，具有良好的安全性及穩(wěn)定性。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因其受載荷、制造工藝、材質(zhì)性能、安裝方法、使用環(huán)境等眾多因素影響，給設(shè)計(jì)人員提出新的任務(wù)與挑戰(zhàn)，所以在設(shè)計(jì)中，不僅需對(duì)其結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)、構(gòu)件連接予以充分考量，而且還需對(duì)損傷及損傷容限、抗斷裂性能進(jìn)行綜合考量，才能確保鋼結(jié)構(gòu)方案具有整體性。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)損傷及損傷容限

鋼結(jié)構(gòu)從材料加工至使用進(jìn)程中，其內(nèi)部及表面均會(huì)產(chǎn)生不同程度變化，造成部分缺陷。隨著時(shí)間推移，在載荷、溫度、腐蝕等作用下，缺陷會(huì)不斷擴(kuò)張從而形成宏觀缺陷，降低材料結(jié)構(gòu)性能。損傷容限的判定作為整體性優(yōu)化設(shè)計(jì)核心，其上述因素均可導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)效現(xiàn)象，致使橋梁自身不具備完整性。因此，橋梁設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)損傷容限應(yīng)予以重視，保證鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)因外部因素造成腐蝕及損傷，保證其具有完整性。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

3.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁通常較輕且具有較強(qiáng)的剛度，所以在其小半徑及多車道設(shè)計(jì)進(jìn)程中，橫向傾覆設(shè)計(jì)為其核心內(nèi)容。在傳統(tǒng)橋梁施工中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致施工中或橋梁使用期間出現(xiàn)橋體傾覆的現(xiàn)象。因連續(xù)鋼梁半徑較小，跨度較大，加之橋面寬度比鋼梁大，必定造成活載不是最佳值，嚴(yán)重時(shí)橫梁外側(cè)支座受力不斷增大，而內(nèi)側(cè)支座不受力，使橫梁受力出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，造成梁體傾覆。因此，在設(shè)計(jì)進(jìn)程中，通過對(duì)其各部分受力情況精確計(jì)算，合理設(shè)計(jì)橫梁偏心受力狀況，如此不僅可以滿足橋梁載荷需求，也能使橋體受力均衡。此外，為提升橋梁整體穩(wěn)定性，在符合要求的基礎(chǔ)上，可以在橫梁處采取灌沙措施，為多車道橋梁整體穩(wěn)定性提供保證。

3.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)，為橋梁整體穩(wěn)定性提供了保障。但在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，焊接接頭形式不同會(huì)使受力存在較大差異，接頭部位應(yīng)力也會(huì)造成母材受力存在偏差。同時(shí)，在焊接進(jìn)程中往往不能100%消除應(yīng)力，所以使焊接接頭出現(xiàn)變形，從而無法滿足橋梁整體性設(shè)計(jì)要求。因此，在橋梁設(shè)計(jì)中，必須將焊頭接頭形式加以重視，根據(jù)橋梁整體性設(shè)計(jì)要求，必須做到以下幾點(diǎn)：

1）根據(jù)橋梁工程實(shí)際情況，選取科學(xué)、合理的焊接形式，并利用焊接檢測(cè)要求獲取靜力及疲勞等級(jí)，以此選取焊縫處理方式，使焊接的各構(gòu)件受力均衡，最大限度降低應(yīng)力。

2）需按照焊接檢測(cè)要求實(shí)施焊接作業(yè)，按設(shè)計(jì)要求提升焊接質(zhì)量[1]。

3.3 加勁肋設(shè)置

加勁肋是在支座或載荷集中的地方，為了保證構(gòu)件在局部具有良好的穩(wěn)定性，所設(shè)置的條狀加強(qiáng)件。有人認(rèn)為，加勁肋設(shè)計(jì)有無均可，對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體不會(huì)造成很大影響。實(shí)際上此種意識(shí)不正確，其需經(jīng)過嚴(yán)密的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定是否有必要設(shè)置加勁肋，其存在與否與腹板值息息相關(guān)。若一旦確定需加設(shè)加勁肋，應(yīng)優(yōu)先考慮豎向加勁肋，設(shè)置其距離時(shí)以腹板厚度與剪應(yīng)力為基礎(chǔ)，當(dāng)豎向加勁肋無法滿足鋼結(jié)構(gòu)需求時(shí)，應(yīng)引入水平加勁肋做以輔助。

加勁肋設(shè)置主要是因原構(gòu)件截面不足，以此將原構(gòu)件截面大小予以調(diào)整，提升構(gòu)件抵抗彎矩及剪力性能，有效降低鋼使用總量，從而減少材料投入成本。因此，在工程中，加勁肋通常設(shè)置在原有構(gòu)件上，以此增強(qiáng)抵抗彎矩及剪力性能[2]。

3.4 鋼箱橫梁及施工人孔設(shè)計(jì)

在橋梁設(shè)計(jì)中，若主道設(shè)計(jì)過寬時(shí)，必須將車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁予以優(yōu)化，從而滿足豎向計(jì)算需求。在具體設(shè)計(jì)中，需將重點(diǎn)放在豎向計(jì)算的基礎(chǔ)上，再計(jì)算橫梁自身跨徑，若其中涵蓋雙懸臂的簡(jiǎn)支梁，應(yīng)對(duì)豎向加強(qiáng)筋狀況予以關(guān)注。通過精確計(jì)算，若豎向及橫向加勁肋與橋梁規(guī)定強(qiáng)度不相符，則需進(jìn)行科學(xué)、合理的強(qiáng)化處理。

在箱梁設(shè)計(jì)之外，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涵蓋的人孔也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般情況下，為便于施工需設(shè)置相應(yīng)人孔，主要在橋梁箱梁頂板及腹板上開設(shè)，具體位置在1.5倍跨徑處，而腹板人孔必須設(shè)置在應(yīng)力較為薄弱區(qū)域，如簡(jiǎn)支梁，其施工人孔可設(shè)置在跨中；而對(duì)于連續(xù)梁而言，必須將其剪力予以明確，選取剪力較小部位。對(duì)于人孔設(shè)計(jì)不局限于一個(gè)，不能將其均設(shè)置在相同斷面上，應(yīng)采取錯(cuò)開設(shè)置[3]。

3.5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

在橋梁整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算為其核心部分。一般在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，均會(huì)涵蓋簡(jiǎn)支梁或單懸臂模式，所以應(yīng)將橋梁分為各受力單位，并對(duì)其設(shè)置不同編號(hào)，將其放置于不同截面上，最終根據(jù)最初數(shù)據(jù)及相關(guān)項(xiàng)目信息，對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。通常，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算會(huì)涉及項(xiàng)目信息、預(yù)應(yīng)力鋼束位置、個(gè)單元結(jié)構(gòu)特征等，應(yīng)通過重復(fù)審核驗(yàn)算判定橋梁整體安全性能，從而完成載荷、收縮徐變等。

4 橋梁設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 重視耐久性

從20世紀(jì)90年代開始，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其耐久性加以重視，并取得一定成就。此研究成果大多以材料及統(tǒng)計(jì)分析為出發(fā)點(diǎn)，很少涉及結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)研究。由于結(jié)構(gòu)耐久性與常規(guī)設(shè)計(jì)存在較大差異，其對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。因此目前，應(yīng)對(duì)橋梁耐久性加以重視，并加大研究力度。

4.2 加強(qiáng)對(duì)疲勞損傷的研究

橋梁結(jié)構(gòu)承受的車輛載荷與風(fēng)載荷均為動(dòng)載荷，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定影響，引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，長(zhǎng)此以往形成結(jié)構(gòu)疲勞積累損傷。在橋梁建設(shè)中，因其使用材料并非均勻連續(xù)，其中存在微小缺陷，隨著時(shí)間推移，會(huì)使缺陷發(fā)展成為宏觀裂紋，若不加以把控，極易引起材料、結(jié)構(gòu)脆性斷裂。通常早期疲勞損傷難以被檢測(cè)，但其引發(fā)的后果不可估量，所以應(yīng)對(duì)其疲勞損傷予以重視。

4.3 充分重視橋梁超載問題

橋梁超載一定程度上會(huì)引發(fā)疲勞損傷，使疲勞應(yīng)力增大，嚴(yán)重情況下會(huì)引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)斷裂事故。又因橋梁內(nèi)部損傷無法修復(fù)，致使橋梁在正常運(yùn)行下狀態(tài)發(fā)生改變，影響橋梁的安全性及持久性。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需充分重視橋梁超載問題。

4.4 借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)及成果

國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中存在的問題主要包括結(jié)構(gòu)使用性能差、耐久性不足、安全性較低等，此類問題的產(chǎn)生與施工質(zhì)量及管理水平息息相關(guān)，但與設(shè)計(jì)也有較大關(guān)系。設(shè)計(jì)人員需正視此類問題，并在此基礎(chǔ)上充分考量當(dāng)下施工及管理水平，借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，采用科學(xué)、合理的措施，保證橋梁使用性能。

5 結(jié)語

橋梁鋼結(jié)構(gòu)是否具有良好的穩(wěn)定性，直接決定橋梁自身承載力及其他受力特征，設(shè)計(jì)人員需對(duì)其予以重視，并從整體局面出發(fā)，將橋梁受力情況予以明確，從焊接形式、抗傾覆性、梁箱與人孔等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此保證鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。