道路橋梁設計中結構化設計的應用研究

樂玥、張飛

（上饒市宏優公路勘察設計院有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

橋梁作為道路的重要組成部分，要想使橋梁建設達到預期使用效果，并保證橋梁結構的安全性、耐久性，就必須在前期做好橋梁設計。在道路橋梁設計過程中，需要采用先進合理的設計思想來適應當前道路橋梁建設與發展需要。

基于結構化方法的橋梁設計思想就是一種先進可行的新型橋梁設計理念，對提高橋梁工程設計水平有著重要作用和意義，需要得到相關人員的高度重視。

1 基于結構化方法的橋梁設計思路

橋梁是現代化基礎設施建設的主要組成部分之一，具有和房屋建筑完全不同的結構，投入使用后不會像房屋建筑那樣以承受靜止狀態的荷載為主，而是以承受動荷載為主。當前在進行橋梁設計時主要采用以有限元分析為基礎的方法，這種方法又是將結構化分析作為基礎的。

對橋梁結構實施有限元分析的過程中，和較為普遍的結構存在本質上的差異，這是因為橋梁所受荷載實際上是一個持續變化的過程，對橋梁外加荷載進行計算時需要充分考慮分批加載因素。此外，在橋梁工程施工中，隨著時間不斷延長，橋梁所用混凝土材料還會發生徐變，橋梁結構受力狀態也會受到混凝土材料徐變因素的直接或間接影響。由于在采用有限元方法對橋梁進行設計分析的過程中往往按照施工順序完成，因此需要按照結構化思維在充分考慮平面關系條件下結合具體的施工步驟。

采用結構化的方法對橋梁進行設計時，通常可將傳統有限元方法初步分成以下三個部分：數據預處理、計算公式與處理結果，實際上就是數據預處理、數據計算與數據后處理。橋梁工程計算方法相似，僅僅是在分析單元建立過程中需要重復考慮桿件存在的差異。基于此，按照結構化方法對橋梁進行設計時，可具體分成以下三步：

第一步為數據預處理，拆分具體分析對象，確定主要構件。通常對公路橋梁進行計算時，會將整個橋梁結構簡化成若干單獨桿件，以此使三維問題變成平面問題。與此同時，還需要為不同類型的桿件賦予相應的特性，如節點、截面尺寸、荷載與材料特性。在整個分析工作中，數據預處理是主要環節之一，需要在確保所有節點參數均準確無誤的基礎上才能保證分析成果的準確性。

第二步為計算分析，通過數據預處理完成提取的各類數據都可作為對單獨桿件進行有限元分析的重要基礎。橋梁工程建設中，需將不同階段橋梁結構自身重量、風荷載與其他環境因素都進行準確記錄；橋梁投入正常使用后，需要對橋梁受到各類荷載持續作用后各單獨桿件實際受力狀態進行計算，進而分析確定橋梁結構所處受力狀態。對此部分進行計算時，需要采用專門的計算機軟件進行。以結構化分析為基礎的橋梁工程設計必須將計算機作為主要輔助工具。

第三步為后處理，在完成前兩步工作后，還要對結構內力與不同外荷載之間的關系進行深入分析與明確，通過計算確定各類工況條件下橋梁結構最不利部位。在分析的基礎上通過荷載組合，確定橋梁結構在不同荷載組合條件下的最大承載力。

通過以上分析可知，通過以結構化方法為基礎的分析能十分準確地對橋梁工程在不同階段各類單元體的實際內力水平和位移情況進行勘測，進而良好反映出橋梁結構受力特征。

2 工程概況

某橋梁最大墩高為74.97m，在超過35m 的高墩中主要以雙肢矩形墩及空心墩為主，其中雙肢矩形墩墩柱斷面尺寸為2.8m×2.4m 及2.4m×2.2m 兩種形式，雙肢矩形墩蓋梁尺寸有15.8m×2.6m×2.2m 及15.8m×3.0m×2.2m 兩種形式；空心墩墩柱斷面尺寸為8.0m×3.5m，蓋梁尺寸15.8m×3.7m×3.0m。蓋梁、柱系梁支架使用材料如表1所示。

表1 支架使用材料參數一覽表

3 基于結構化方法的橋梁設計計算

3.1 基本說明

該橋梁墩柱蓋梁及柱系梁形式較多，其中超過40m 高墩墩柱形式主要有雙肢矩形墩及空心薄壁墩。現以荷載最大，施工最不利情況考慮設計以下兩種支架形式，并對這兩種形式的支架進行受力驗算。

由于過渡墩空心薄壁墩墩柱高度較梁板橋主墩高度小，同時懸臂端長度相對較小，因此計算選擇不利的梁板橋空心薄壁墩蓋梁進行支架驗算。

梁板橋主墩空心薄壁墩蓋梁有15.8m×3.2m×3.0m 及15.8m×3.7m×3.0m 兩種形式，此次計算按照最不利計算，選擇最大蓋梁尺寸進行計算（15.8m×3.7m×3.0m）。

采用在墩柱內預埋20mm 厚鋼板及

φ

18 鋼筋焊接而成的預埋件；用2 排雙［32a 槽鋼鋼箱焊接在墩柱上作牛腿，牛腿上設9 根工20 分配梁；兩側牛腿根部雙［32a 槽鋼鋼箱上焊接兩排I25a，上布設2 根40a 工字鋼作為施工作業平臺。混凝土單軸受拉應力-應變曲線的參數取值如表2所示，混凝土單軸受壓應力-應變曲線的參數取值如表3所示。

表2 混凝土單軸受拉應力-應變曲線的參數取值

表3 混凝土單軸受壓應力-應變曲線的參數取值

3.2 空心薄壁墩蓋梁支架荷載參數

3.2.1 鋼筋混凝土重：最厚處為3.0m 高，相應的分配梁荷載為0.5×3.0×3.7×26=144.3kN/m。

3.2.2 模板重：按0.15t/m計算，g 取10kN/t，最厚處模板重相應的分配梁荷載為[(2×3.0+3.7)×0.5]×0.15×10/3.7=1.96kN/m。

3.2.3 人工、機具荷載：按2.5kPa 取值，每根分配梁荷載為2.5×0.5=1.25kN/m。

3.2.4 振搗荷載：按2.0kPa 取值，每根分配梁荷載為2.0×0.5=1.0kN/m；分配梁工字鋼工22a 采用從空心薄壁墩向外依次進行編號，1、2、3、4……11。空心薄壁墩蓋梁荷載如表4所示。

表4 空心薄壁墩蓋梁荷載

表4（續）

3.3 空心薄壁墩內模牛腿荷載參數

3.3.1 模板重：按0.15t/m計算，g 取10kN/t，空心薄壁墩澆筑單倉4.5m 高，內模總荷載為[(7+2.7)×2]×0.15×10=29.1kN；每個牛腿荷載為2.91kN。

3.3.2 人工、機具荷載：按3.0kPa 取值，則人工、機具荷載為3.0×7×2.7=56.7kN；每個牛腿荷載為5.67kN。

3.4 空心薄壁墩蓋梁支架荷載計算

3.4.1 支架結構計算，使用Midas Civil2015 建模計算。

3.4.2 縱梁工63a 工字鋼計算：

（1）縱梁工63a 工字鋼縱梁工63a 工字鋼梁，最大變形下撓值為：-5.40mm＜[y]=2200mm/400=5.5mm。

（2）縱梁工63a 工字鋼梁最大彎拉應力為：154.59MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I63a 梁最大剪應力為：16.74MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.3 I22a 工字鋼分配梁計算：

（1）最大變形下撓值為：-5.17mm＜[y]=3600mm/400=9mm。

（2）I22a 工字鋼最大彎拉應力為：197.27MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I22a 工字鋼最大剪應力為：52.78MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.4 鋼棒（

φ

140mm）計算：（1）

φ

140 鋼棒支撐梁最大彎拉應力為：251.02MPa＜[σ]=600MPa。（2）鋼棒（

φ

140mm）最大剪應力為32.02MPa＜[τ]=355MPa。

（3）鋼棒下撓值為-0.49mm，不作計算。

3.4.5 牛腿支架

（1）牛腿最大變形下撓值為：-6.4mm＜[y]=1800mm/250=7.2mm。

（2）牛腿最大彎拉應力為：185.3MPa＜[σ]=215MPa。

（3）牛腿最大剪應力為：62.0MPa＜[τ] =125MPa。

3.4.6 支架焊縫計算

根據支架反力圖可知各牛腿最大受反力，水平梁水平力為38.3kN，豎直力為269.2kN；斜撐水平力為-359.8kN，豎直力為400.9kN。由于牛腿水平梁反力比斜撐反力小，同時斜撐焊縫長度比水平梁大，所以只需要對牛腿斜撐梁實施焊縫驗算。

3.5 空心薄壁墩內模牛腿計算

使用Midas Civil2015 建模計算：

其一，32 精軋螺紋鋼最大變形下撓值為：0.1mm，不作驗算。

其二，32 精軋螺紋鋼最大彎拉應力為：33.7MPa＜[σ]=215MPa。

其三，32 精軋螺紋鋼最大剪應力為：5.75MPa＜[τ]=125MPa。

其四，L50 角鋼鋼箱最大變形下撓值為：0.1mm，不作驗算。

其五，L50 角鋼鋼箱最大彎拉應力為：20.0MPa＜[σ]=215MPa。

其六，L50 角鋼鋼箱最大剪應力為：0.42MPa＜[τ]=125MPa。

其七，A3 鋼板最大變形下撓值為：0.002mm，不作驗算。

其八，A3 鋼板最大彎拉應力為：0.9MPa＜[σ]=215MPa。

經Madis Civil2015 軟件分析計算，空心薄壁墩內模牛腿、空心薄壁墩3.7m×3.0m 蓋梁支架的各桿件均滿足相關規范的要求，可以用于施工。

4 結語

綜上所述，基于結構化方法的橋梁設計和傳統設計方法存在本質上的差別，后者主要考慮的是橋梁安全性與設計方案的可行性，而基于結構化方法的橋梁設計往往考慮得更為全面，可對不同類型的橋梁給出相應的方案，以此在保證橋梁結構安全性與可靠性的同時，提高經濟性。可見，基于結構化方法的橋梁設計是當前我國橋梁工程建設與發展的必然選擇之一，伴隨基于結構化方法的橋梁設計水平日益提高，將給出更多更合理的設計方案。以上對基于結構化方法的橋梁設計進行了初步分析與總結，旨在為實際橋梁設計計算提供技術參考，保證橋梁設計合理性與可行性。