橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

文 / 中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司 胡海波

引言

橋梁工程建設(shè)，其性能質(zhì)量影響著運(yùn)行效果，為了使交通建設(shè)水平得到提升，應(yīng)對橋梁工程建設(shè)進(jìn)行不斷優(yōu)化。在橋梁施工中鋼結(jié)構(gòu)作為主體，其性能有著直接的影響，應(yīng)對其完整性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其滿足使用的需求。當(dāng)前一些橋梁工程建設(shè)由于鋼結(jié)構(gòu)不合理而產(chǎn)生了較多的問題，難以保證其安全性。因此，應(yīng)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合其完整性要求開展設(shè)計(jì)工作，采取有效措施加強(qiáng)設(shè)計(jì)的效果。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的重要性

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的是單元筋焊接方式，該方式可使橋梁使用的時(shí)間延長，并且使其承載能力加強(qiáng)。在設(shè)計(jì)中需要盡量選擇適合的方式，使橋梁結(jié)構(gòu)的性能得到提升，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性加強(qiáng)。然而該方式在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些問題，由于運(yùn)用該方式設(shè)計(jì)的橋梁無法滿足安全及耐久的需求，雖然在施工中使用的焊接技術(shù)應(yīng)用水平已經(jīng)得到了提升，但是問題主要產(chǎn)生在橋梁比較隱蔽的位置中這些位置不容易被修補(bǔ)好，同時(shí)在長年沒有進(jìn)行維修的情況下會(huì)使問題加劇，無法保證其使用的壽命。因此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對其結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行分析，使橋梁可能產(chǎn)生損壞的位置得到合理評估，使橋梁結(jié)構(gòu)的剛度顯著加強(qiáng)，并且使橋梁結(jié)構(gòu)的承受傷害能力得到提升，進(jìn)而使橋梁建設(shè)的需求得到滿足，發(fā)揮出橋梁工程的優(yōu)勢。

我國現(xiàn)代橋梁工程的使用現(xiàn)狀

橋梁交通荷載大

在當(dāng)前的交通快速發(fā)展下，汽車使用量大大提升，人們的出行方式也呈現(xiàn)出了多樣的特點(diǎn)，橋梁在交通工程體系中作為重要的設(shè)施，面臨著交通量提升的情況，對其自身的性能提出了更高的要求。同時(shí)，在交通出行中存在著一定的問題，比如交通擁堵等，為了使問題得到改善，城市高架橋梁及立交橋梁的建設(shè)增加，這使交通的建設(shè)更加完善有效。但是在橋梁荷載增大的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了問題，為了使設(shè)計(jì)發(fā)揮出有效的作用，需要對橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化。

橋梁超載現(xiàn)象嚴(yán)重

在目前的橋梁工程中部分橋梁建設(shè)時(shí)間比較，橋梁建設(shè)技術(shù)水平不高，在環(huán)境等因素的影響下，其荷載能力有限，可能會(huì)產(chǎn)生較多的問題。在交通出行需求提高的趨勢下，早期建設(shè)的橋梁工程產(chǎn)生的問題也增加。在荷載增加的條件下，超載問題比較顯著，無法保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，無法發(fā)揮橋梁的功能。因此，需要對這種情況產(chǎn)生重視。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷中的主要問題

材料破損

在橋梁工程建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較多，在施工的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)損壞也比較常見，由于材料會(huì)受到多種因素的影響，比如人為損壞或者自身材料質(zhì)量不佳等，這些問題會(huì)對鋼結(jié)構(gòu)的施工產(chǎn)生影響，無法保證其使用效果。在連接處理鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，當(dāng)焊接技術(shù)使用不當(dāng)?shù)臅r(shí)候，會(huì)對鋼結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生較大的影響，比如層狀斷裂等。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員需要對施工材料質(zhì)量有效控制，并且合理選擇施工焊接技術(shù)，使鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量得到保障。

焊接頭受損

橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷問題主要在焊接頭部位，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接處理的時(shí)候，多次焊接會(huì)產(chǎn)生金屬結(jié)晶，應(yīng)在焊接接頭位置提升強(qiáng)度，使鋼結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到要求。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員需要考慮到影響鋼結(jié)構(gòu)性能的因素，并且在設(shè)計(jì)過程中對此進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)中存在著缺陷的時(shí)候，長期的使用會(huì)使質(zhì)量問題更加顯著，對橋梁結(jié)構(gòu)的使用造成了威脅。在橋梁結(jié)構(gòu)承載力變大的情況下，橋梁焊接頭損傷問題會(huì)加快，進(jìn)而使鋼結(jié)構(gòu)性能受到影響。

橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)方法

橋梁鋼結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆設(shè)計(jì)

由于鋼橋自重較輕的特點(diǎn)，在進(jìn)行橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)使其具有較強(qiáng)的抗傾覆性能。最新的橋梁規(guī)范中對抗傾覆系數(shù)有了明確的要求，要求其使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值與時(shí)上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)效應(yīng)設(shè)計(jì)值的比值大于等于2.5。具體公式為：

此公式對與橋梁的抗傾覆計(jì)算意義重大，是我國規(guī)范第一次對橋梁抗傾覆的計(jì)算提出明確的標(biāo)準(zhǔn)。因此在設(shè)計(jì)過程中對橫向抗傾覆設(shè)計(jì)要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，以避免橋梁在運(yùn)行中由于過大的傾覆外力，使橋梁失去穩(wěn)定，可有效防止結(jié)構(gòu)傾覆問題的產(chǎn)生。一般在設(shè)計(jì)中為保持橋梁的穩(wěn)定性，可在橫梁的位置中使用混凝土或鋼砂等填筑的處理工藝，增加橋梁支點(diǎn)處的抗傾覆能力，使橋梁的受力更加均衡，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。也可增加橫向支座的間距，使其穩(wěn)定性顯著加強(qiáng)。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性，應(yīng)對焊接質(zhì)量進(jìn)行控制，在施工過程中焊接結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)問題，當(dāng)其出現(xiàn)了損傷的時(shí)候，整體材料及工藝中便都會(huì)出現(xiàn)問題。在進(jìn)行焊接施工的時(shí)候，需要對材料以及工藝等進(jìn)行全面優(yōu)化，避免在焊接中產(chǎn)生損壞的問題。為了加強(qiáng)焊接施工的完整性，應(yīng)對相關(guān)的環(huán)節(jié)點(diǎn)合理設(shè)計(jì)。比如，應(yīng)使焊接材料以及結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的焊接韌性，在焊接的時(shí)候應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況來對焊接斷面進(jìn)行處理，可使損傷程度有效降低，以保證焊接的效果，提升焊接的質(zhì)量。在焊接施工中可能會(huì)出現(xiàn)微觀質(zhì)量問題，應(yīng)對微觀質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行明確，避免在使用中產(chǎn)生更多的問題。應(yīng)對焊接次數(shù)以及焊接規(guī)格進(jìn)行合理控制，在焊接施工中應(yīng)選擇符合要求的相關(guān)性，根據(jù)鋼材的特點(diǎn)來進(jìn)行配置。焊接結(jié)構(gòu)的控制發(fā)揮了有效的作用，在焊接施工中有著一定的要求，在實(shí)際操作中需要按照以下要求進(jìn)行，第一，對橋梁焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合橋梁的受力的特點(diǎn)來進(jìn)行有效增長。第二，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮到整體的受力，現(xiàn)代焊接技術(shù)已經(jīng)能夠使得焊接接頭強(qiáng)度等于或者高于母材的強(qiáng)度，也具有良好的抗疲勞性和斷裂性，但是在設(shè)計(jì)時(shí)要注意焊接結(jié)構(gòu)能均勻承受橋梁結(jié)構(gòu)的受力，避免其出現(xiàn)局部應(yīng)力過大的情況。第三，在對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)加強(qiáng)對焊接工程的檢測，可使焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量符合實(shí)際的要求，為焊接環(huán)節(jié)的質(zhì)量提供有效的保障。施工規(guī)范中對檢測的部位及檢測等級也有詳細(xì)的要求，目前較多設(shè)計(jì)都要求采用超聲波探傷的方法，橋梁主要構(gòu)件的焊縫如頂?shù)装濉⒏拱濉M隔板等位置一般都要要求Ⅰ級焊縫。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)加勁肋設(shè)計(jì)

通過加勁肋的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化，在承載部分中可保證橋梁使用的負(fù)荷承載的有效性，達(dá)到動(dòng)力傳遞的要求。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮到現(xiàn)場的情況，使用有效的方法來進(jìn)行荷載力計(jì)算。加勁肋的設(shè)置一般根據(jù)計(jì)算及構(gòu)造要求設(shè)計(jì)。如在橋面處由于汽車沖擊的影響，盡量應(yīng)采用剛度較大的U型肋，在采用U型肋較困難的曲線處可采用T型肋。對于人行橋等對加勁肋要求較低的橋梁可采用一字肋等剛度小的加勁肋。加勁肋應(yīng)根據(jù)計(jì)算及橋梁的受力形式來設(shè)置，通過豎向及水平方向加勁肋的合理設(shè)置，可以使橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到提升，并且加強(qiáng)其承載性，同時(shí)通過科學(xué)的方法來進(jìn)行計(jì)算，可使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供良好的條件。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)頂板人孔設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為使施工順利完成需設(shè)置人孔，在設(shè)計(jì)人孔的時(shí)候可選擇橋梁受力較小的部位以減少對橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響。由于其在施工及檢修作業(yè)時(shí)重要的作用，在應(yīng)用中需要符合一定的要求。比如連續(xù)梁一般將人孔設(shè)置在受力較小的邊跨部位，腹板人孔一般設(shè)置反彎點(diǎn)附近，如此設(shè)置都是為降低對結(jié)構(gòu)的影響程度。在設(shè)計(jì)人孔的時(shí)候，除應(yīng)選擇應(yīng)力小的位置外，在橋梁施工中人孔的數(shù)量比較多時(shí)，應(yīng)避免在同一斷面中設(shè)置較多的人孔，使人孔的間距得到有效的控制，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來保障。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合其材質(zhì)的特點(diǎn)來進(jìn)行分析，鋼結(jié)構(gòu)一般容易受到腐蝕等影響，為了保證其性能，應(yīng)對其完整性加強(qiáng)設(shè)計(jì)，做好防腐蝕工作。應(yīng)考慮到腐蝕環(huán)境及條件因素，將結(jié)構(gòu)防腐涂層設(shè)計(jì)優(yōu)化，使防腐涂層可起到有效的保護(hù)作用。在防腐涂層直接與金屬表面接觸的情況下，為了使其處理效果加強(qiáng)，應(yīng)在涂層前將鋼結(jié)構(gòu)的金屬表面處理好，使其粗糙度符合要求，可使處理發(fā)揮出有效的作用，為結(jié)構(gòu)的保護(hù)提供支持。

橋梁車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁設(shè)計(jì)

在進(jìn)行橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要重視對車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果以及支座之間雙懸臂的衡量計(jì)算結(jié)果來開展設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧橋梁跨度的大小。在設(shè)計(jì)過程中要考慮豎向加勁肋的作用及設(shè)置間距，使其發(fā)揮出有效的作用。在優(yōu)化車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求來采取有效措施，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上通過對寬箱梁腹板及橫隔板的優(yōu)化，而不是人為的多設(shè)置腹板及橫隔板，以免造成材料的浪費(fèi)。做到在節(jié)約造價(jià)的基礎(chǔ)上兼顧橋梁結(jié)構(gòu)的性能，并且保證橋梁在后期運(yùn)營過程中的結(jié)構(gòu)安全。

結(jié)語

隨著橋梁建設(shè)的不斷完善，橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求提高，為了滿足其使用需求，加強(qiáng)其各項(xiàng)性能，需要對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。可結(jié)合橫向抗傾覆設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)、加勁肋設(shè)計(jì)、頂板人孔設(shè)計(jì)以及防腐蝕設(shè)計(jì)等提出明確要求，使設(shè)計(jì)發(fā)揮出有效的作用，保證使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢凸顯出來。通過對橋梁鋼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使其整體性能提升，可使橋梁的質(zhì)量全面提高，為橋梁交通發(fā)展創(chuàng)造更好的條件。