關(guān)于市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

王梅俊

（杭州交投二航院設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江 杭州 310024）

0 引言

隨著我國社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地區(qū)城市建設(shè)進(jìn)程逐漸加快，城市路橋工程規(guī)模日益擴(kuò)大，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)完善，如何進(jìn)一步落實(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保市政常用跨徑橋梁工程建設(shè)效果與質(zhì)量，是需要重點(diǎn)思考的問題。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要部分，也是影響后期橋梁運(yùn)行能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開展上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)以市政橋梁跨徑數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合橋梁的形式，分別開展截面形式、截面結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、拼縫結(jié)構(gòu)等各方面的設(shè)計(jì)，在優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)保證其與整體結(jié)構(gòu)相契合，確保市政橋梁工程建設(shè)質(zhì)量符合預(yù)期，充分體現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要價(jià)值。

1 市政常用跨徑橋梁工程

“YG橋梁工程”位于現(xiàn)狀內(nèi)線龍陽路立交范圍之內(nèi)，最初建設(shè)竣工于20世紀(jì)90年代初期，當(dāng)時(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)采用的是分幅式設(shè)計(jì)。橋梁全長約為1205m，拼接寬度約為2～3m，計(jì)劃由現(xiàn)狀的雙向四車道調(diào)整為雙向六車道，改造橋梁上部結(jié)構(gòu)，提升橋梁運(yùn)行水平。根據(jù)“YG橋梁工程”的實(shí)際情況，東半幅橋梁寬度為9～18m，南北由3條車道分流，形成2條直行車道、1條匝道；西半幅橋梁寬度約為12.5m，北向南為3車道，是由2條直行車道、1條輔助車道構(gòu)成。目前橋梁出現(xiàn)左右幅橋面標(biāo)高不一致，表面出現(xiàn)明顯伸縮縫錯(cuò)位的情況。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式多樣，包括簡支變連續(xù)空心梁板、簡支空心梁板、現(xiàn)澆混凝土梁等，下半部分結(jié)構(gòu)為T蓋梁，東西兩幅橋梁的下半部分也出現(xiàn)了位置錯(cuò)位。

根據(jù)這種情況，“YG橋梁工程”施工的目的是改善當(dāng)前的錯(cuò)位情況，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)按照工程實(shí)際情況，對(duì)存在錯(cuò)位、標(biāo)高不一致的位置進(jìn)行調(diào)整，兼顧橋梁整體結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)與截面細(xì)節(jié)，最終提升橋梁整體水平，完成該次橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2 市政常用跨徑橋梁的截面形式

根據(jù)“YG橋梁工程”的實(shí)際情況，可以看出橋梁屬于梁式橋。在各城市的市政橋梁工程中，梁式橋結(jié)構(gòu)也是較為常見的結(jié)構(gòu)體系。因此，以實(shí)際情況概況為依據(jù)，以梁式橋結(jié)構(gòu)為對(duì)象，進(jìn)行研究與分析。橋梁截面是橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要構(gòu)成，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：主梁截面形式、主梁間距數(shù)據(jù)、截面各部分的尺寸參數(shù)、橫截面布置形式等。

橋梁截面形式受到多種因素影響，與橋梁的立面建筑高度、施工工藝、建設(shè)材料均有一定關(guān)聯(lián)。在橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，確定截面形式不僅需要考慮橋梁的結(jié)構(gòu)，更需要考慮橋梁的跨徑數(shù)據(jù)，保證主梁具備足夠的抗彎與抗剪能力，橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗扭能力滿足地方建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前來說，梁式橋結(jié)構(gòu)的橋梁截面形式包括板式、梁肋式、箱型3種，其中板式又可以細(xì)分為實(shí)心板、空心板。實(shí)心板截面形式的形態(tài)簡單、施工便捷，整體剛度較大，但是在施工時(shí)需要設(shè)置模板結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)澆混凝土工藝輔助，存在自重大的特點(diǎn)；空心板則是為了減輕板式橫截面結(jié)構(gòu)自重，簡化現(xiàn)場(chǎng)澆筑工藝過程。在“YG橋梁工程”中，對(duì)橋梁跨徑較小的部分使用這一形式[1]。

梁肋式截面以T形截面為主，頂板寬翼緣受壓，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)橋梁的實(shí)際情況布置足夠多的鋼筋，提升橋梁截面的受正彎矩的能力。該工程中存在部分簡支梁式結(jié)構(gòu)，跨徑為13～50m，可以將該橫截面布置為橋T梁形。

在市政橋梁工程中，常見的幾種截面形式各有不同，均有自己的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員選擇截面形式，應(yīng)當(dāng)充分考慮橋梁工程的實(shí)際情況，考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)的需求；更需要考慮橋梁的使用性能、抗彎抗剪承載力需求。比如，在“YG橋梁工程”中，通過設(shè)置T梁式截面與空心板式截面，降低橋梁上部結(jié)構(gòu)自重，提升橋梁的抗扭性能。

3 市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路

“YG橋梁工程”位于現(xiàn)狀道路之上，處于道路曲線段，主體結(jié)構(gòu)形式多樣，部分位置的兩幅橋跨徑不一致，墩臺(tái)交錯(cuò)布置。原本的老橋采用的是以直代曲形式，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的邊線參差不齊。因此，在“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮新建工程部分、改造部分與現(xiàn)狀老橋部分的適應(yīng)性與匹配度，考慮橋梁工程施工的可能性與便捷性。若上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁一類的預(yù)制結(jié)構(gòu)，就容易出現(xiàn)測(cè)量誤差，導(dǎo)致工廠內(nèi)預(yù)制的上半部解耦股與現(xiàn)場(chǎng)吊裝的實(shí)際情況不匹配，影響橋梁吊裝，造成資源浪費(fèi)。

綜合考慮多種情況，對(duì)“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)采取多樣化的思路。

其一，在K1—K6跨、K9—K12跨位置，以現(xiàn)澆箱梁形式進(jìn)行拼橋，設(shè)計(jì)現(xiàn)澆箱梁的梁寬2.0m，高1m，讓梁的寬度與高度同原本橋梁對(duì)齊。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)可能遇到的空間局限情況、周圍障礙物情況等，合理設(shè)計(jì)箱梁斷面懸臂的寬度，促使上部結(jié)構(gòu)與老橋結(jié)構(gòu)有效銜接。設(shè)計(jì)人員考慮現(xiàn)場(chǎng)空間局促，容易出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉空間不足的情況，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)澆箱梁的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化計(jì)算，調(diào)整細(xì)節(jié)參數(shù)，從而保證這一部分結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性滿足建設(shè)要求。

其二，在K8、K9兩跨位置，根據(jù)其需要跨越現(xiàn)狀龍陽路，并且受龍陽路地面道路凈空限制等情況進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于這一部分的上部結(jié)構(gòu)不具備搭設(shè)支架、現(xiàn)場(chǎng)澆筑的條件，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)上部為預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場(chǎng)吊裝工藝。設(shè)計(jì)鋼箱梁的梁寬度24m，高0.9m，設(shè)計(jì)兩側(cè)懸臂。

在“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)明確以下注意事項(xiàng)：

其一，市政橋梁日常使用頻率較高，需要承受較大的外部作用力。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析外部作用力，采取提升市政常用跨徑橋梁的強(qiáng)度等方式應(yīng)對(duì)外部作用力，避免上部結(jié)構(gòu)的承受力較弱，影響橋梁使用質(zhì)量。

其二，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)從工程實(shí)際情況出發(fā)，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，盡可能化繁為簡，提升“YG橋梁工程”橋梁上部結(jié)構(gòu)的科學(xué)性。

其三，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)充分考慮材料、結(jié)構(gòu)幾何特性、承載能力需求，綜合多個(gè)要素，確保設(shè)計(jì)效果。

4 市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

4.1 整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

市政常用跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法脫離橋梁整體結(jié)構(gòu)，可以說，整體結(jié)構(gòu)是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員先進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的選擇與規(guī)劃，確定整體結(jié)構(gòu)方向之后，再進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，細(xì)化上部結(jié)構(gòu)，選擇合適的梁、截面形式與拼接方式，確保上部結(jié)構(gòu)符合橋梁工程的整體需求，與整體結(jié)構(gòu)相契合，有效提升橋梁的承載能力與運(yùn)行服務(wù)能力。在“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)先立足整體，開展整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，既是為上部結(jié)構(gòu)選擇奠定方向，也是為之后上部結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算提供依據(jù)[2]。設(shè)計(jì)人員可以采用“橋梁博士V4.3”軟件進(jìn)行橋梁的橫向分布計(jì)算，根據(jù)主梁的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果。之后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮主梁的通用性，對(duì)不利斷面的工況進(jìn)行計(jì)算與分析，得到橫向分布系數(shù)。設(shè)計(jì)人員繼續(xù)使用Midas2020軟件進(jìn)行有限元分析，按照預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件類別控制預(yù)應(yīng)力，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力的鋼筋布置。

通過這一環(huán)節(jié)的計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮主梁混凝土上下緣之間的應(yīng)力儲(chǔ)備，預(yù)留一定的儲(chǔ)備，滿足上部結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)的銜接需求，提升“YG橋梁工程”橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。

4.2 上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置優(yōu)化

根據(jù)“YG橋梁工程”的實(shí)際情況，結(jié)合上述的設(shè)計(jì)思路，開展上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員分別從主梁間距、主梁跨中截面規(guī)格、截面變化、橫隔梁設(shè)計(jì)等角度入手，通過以下幾個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提升上部結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

其一，優(yōu)化設(shè)計(jì)主梁間距，合理選擇片數(shù)。一般來說，主梁的間距受到橋梁的梁高、跨徑參數(shù)影響，隨著跨徑增加而增加。因此，在條件允許的情況之下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加寬T梁的梁翼板。設(shè)計(jì)人員根據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的橋梁標(biāo)準(zhǔn)圖與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、該工程的跨徑數(shù)據(jù)，確定主梁間距為1.6m，設(shè)計(jì)主梁片數(shù)為5片。

其二，設(shè)計(jì)主梁的截面規(guī)格。主梁的截面規(guī)格主要是主梁的高度、橫截面細(xì)部尺寸。其中，主梁的高度與橋梁的跨徑應(yīng)當(dāng)按照1∶18進(jìn)行設(shè)計(jì)。在該工程部分建筑高度不受限時(shí)，可以適當(dāng)增加梁高，減少鋼束的使用數(shù)量，或者在不增加混凝土用量的基礎(chǔ)上加高腹板高度，從而獲取更多的經(jīng)濟(jì)效益[3]。對(duì)于主梁的橫截面細(xì)部尺寸，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋梁面板承受車輪局部荷載的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制T梁翼板的厚度。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)孔管構(gòu)造決定腹板厚度，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束的布置情況調(diào)整馬蹄尺寸。

其三，橫截面沿跨長度的變化。對(duì)于橫截面沿跨長度的變化方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)梁端部的集中控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理設(shè)計(jì)錨具的使用。對(duì)兩段一倍梁高范圍內(nèi)的腹板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加腹板厚度，促使其與馬蹄同寬。

其四，設(shè)計(jì)橫隔梁。橋梁的荷載作用按照主梁彎矩橫向分布，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在此處設(shè)置橫隔梁，促使主梁彎矩更加均勻。

在上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)與布置環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)當(dāng)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)變量，以此確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)科學(xué)合理，保證“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)等主要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)化參數(shù)，將實(shí)際工程的約束條件融入設(shè)計(jì)變量。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循限制應(yīng)力的要求，利用結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)方程式、靜力分析平衡方程式等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升參數(shù)的精準(zhǔn)性。

4.3 橫截面形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)分析“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)橫截面形式，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注橫截面形式的設(shè)計(jì)，在遵循多樣化設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化橫截面尺寸參數(shù)，確保各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?！癥G橋梁工程”橋梁跨徑為市政常用跨徑，此類跨徑的橋梁具有橫截面寬度大，承重能力強(qiáng)的特點(diǎn)。根據(jù)以往的市政常用跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，上部結(jié)構(gòu)的橫截面設(shè)計(jì)存在較多的細(xì)節(jié)，如橫截面形式選擇、懸臂設(shè)計(jì)等。細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)會(huì)影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，若細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不合理，很容易引起安全隱患，影響市政橋梁的后期使用。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化橋梁的橫截面形式，根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合橋梁的跨徑參數(shù)、整體承載力、水平應(yīng)力等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在“YG橋梁工程”中，設(shè)計(jì)人員按照多元化思想，根據(jù)橋梁不同位置的跨徑情況、現(xiàn)場(chǎng)空間情況，靈活使用空心板式、簡支T梁式作為截面形式，從而保證橋梁后期的使用效果。設(shè)計(jì)人員根據(jù)跨徑的實(shí)際尺寸、正負(fù)彎矩絕對(duì)值等參數(shù)，設(shè)計(jì)梁肋式橫截面跨徑數(shù)據(jù)在20～50cm之間；考慮正負(fù)彎矩絕對(duì)值的情況，在上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上適當(dāng)加寬，調(diào)整T形截面細(xì)節(jié)，從而獲取良好的設(shè)計(jì)效果[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，橋梁是城市市政交通服務(wù)體系的重要構(gòu)成部分，對(duì)市政常用橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、提升橋梁通行服務(wù)能力與周期的主要方法。以某市政橋梁工程為例，對(duì)市政常用跨徑的橋梁截面形式、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探索，可以發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)是橋梁通行服務(wù)能力與交通安全性的重要保障。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程實(shí)際情況，嚴(yán)格按照地方規(guī)定要求，結(jié)合市政橋梁的跨徑與整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)，調(diào)整細(xì)節(jié)參數(shù)，尤其要提升橫截面形式與拼縫處理部分的設(shè)計(jì)水平，從而有效強(qiáng)化橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。