橋梁鋼結構的整體設計策略框架思路構建

季正迪

蘭州城市建設設計研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

橋梁工程作為公路工程的重要組成，在施工技術成熟度不斷提高的情況下，施工材料的豐富度也在提高。鋼結構具有質(zhì)量較輕、剛度較大、穩(wěn)定性較強等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在橋梁工程中得到了廣泛應用。通過整理橋梁鋼結構整體設計要點，不僅可以保證橋梁結構相互間承載力穩(wěn)定性，發(fā)揮橋梁結構功能性，而且能夠提高橋梁工程質(zhì)量，延長橋梁工程的使用壽命。

1 橋梁鋼結構的整體設計目標和原則

1.1 設計目標

從目前的應用情況來看，國內(nèi)對于橋梁鋼結構的設計目標在于，能夠保證橋梁工程在預設年限內(nèi)可以維持較高安全性與穩(wěn)定性。結合國際標準（BS5400，EURO CODE）中的要求可以得知，我國橋梁的完整性設計在考慮橋梁材料性能、制造工藝、安裝方法、機構細節(jié)構造以及橋梁使用環(huán)境和定期維護方式方法等因素后，確定使用年限一般為100年。并且在完整性設計活動中，除了考慮結構強度、剛度等參數(shù)外，還需要評定損傷和損傷容限斷裂與抗斷裂等相關問題，以確保實現(xiàn)橋梁鋼結構的完整性最終設計目標。

1.2 設計原則

總結以往的設計經(jīng)驗，在橋梁鋼結構整體設計中，需要秉持以下設計原則：（1）系統(tǒng)性原則，在對鋼結構進行設計時，需要綜合考慮人孔位置、加強肋位置、橫梁尺寸等內(nèi)容之間的關聯(lián)性，利用BIM技術建立的模型，來系統(tǒng)分析這些結構的相互關系，從而提高設計結果的科學性，保證設計方案的可行性。（2）耐久性原則，鋼結構長期暴露在空氣中，很容易出現(xiàn)銹蝕問題，進而影響到鋼結構強度和使用壽命。基于此，在鋼結構整體設計活動中，需要做好結構耐久性設計，如合理選擇防腐措施、做好節(jié)點保護等，從而延長鋼結構的使用壽命，提高鋼結構所帶來的綜合效益。（3）經(jīng)濟性原則，橋梁工程的整體造價較高，鋼結構作為重要的施工材料，也是成本占比較高的部分。基于此，在實踐中需要在考慮結構安全性、質(zhì)量性的基礎上，做好材料經(jīng)濟性考量，優(yōu)選性價比較高的鋼結構材料，以降低整體成本支出，保證橋梁工程的經(jīng)濟效益。

2 橋梁鋼結構的整體設計策略

2.1 橫向抗傾覆設計

在整體性設計活動中，橫向抗傾覆設計屬于非常重要的設計內(nèi)容，其作用是維持結構整體的穩(wěn)定性，避免結傾覆問題。從目前的實踐情況來看，科學使用鋼結構能夠有效提高整個橋梁工程的施工質(zhì)量，不斷提升整個結構的強度，但是將鋼結構應用到小半徑、多車道設計活動中時，需要相關人員對結構橫向抗傾覆展開深入分析，了解橫梁結構的受力情況，基于分析結果來完成受力平衡性設計，維持鋼結構整體穩(wěn)定性。通常情況下，橋梁工程的整體跨度相對較大，而連續(xù)鋼梁的半徑相對較小，鋼梁的整體寬度會低于橋面寬度，很容易帶來承載力均勻性不足的情況?；诖?，可利用BIM技術來建立三維模型，錄入橋梁跨度、鋼梁半徑、寬度等數(shù)據(jù)，基于模型來完成受力分析，以維持整個結構的平衡性。對于部分特殊部位，也會通過在橫梁位置處灌入細砂，使該結構的受力情況得到改善，以提升整個橋梁結構的穩(wěn)定性。

2.2 鋼結構焊接設計

在鋼結構施工階段，會使用焊接的方式來拼接鋼結構，焊接質(zhì)量也會對整個結構穩(wěn)固性和完整性帶來直接影響。根據(jù)以往的受力分析經(jīng)驗可以得知，焊接結構接頭位置，很容易受到不同位置的負荷，使得結構整體應力存在較大差異。而該差異情況無法通過設計的方式完全消除，從而導致焊接結構接頭位置出現(xiàn)形變的情況，進而影響到結構設計結果的完整性。在具體設計活動中，也需注意以下幾點：（1）基于焊接結構的具體情況來展開設計，而且在設計前也需要基于試驗結果來確定鋼結構靜力以及對應的疲勞等級，從而篩選出最為恰當?shù)暮附臃椒ㄟM行處理，以提高焊接結果的科學性。（2）在整個焊接設計活動中，需要做好細節(jié)方面的綜合性分析，考慮到焊接后該部位的承載力平衡情況，盡量降低焊接后該部位的應力，以提高焊接設計結果的科學性。（3）在設計活動中，也需要做好焊接后質(zhì)量檢查方法的選擇，及時發(fā)現(xiàn)和處理存在的焊接質(zhì)量問題，提高焊接結構的施工質(zhì)量。

2.3 人孔合理化設計

在鋼結構施工階段，人孔的主要作用是便于后續(xù)施工活動的進行，人孔位置、尺寸的合理性也會對鋼結構施工活動的推進產(chǎn)生直接影響。根據(jù)以往的設計與實踐經(jīng)驗可以得知，人孔會集中布置在鋼結構的箱梁頂板與腹板位置，具體布置位置也需要綜合考慮荷載和受力情況，以提高結構布置的合理性，利于后續(xù)施工活動的進行。在具體設計活動中，也需注意以下幾點：（1）基于鋼結構的具體布置情況來展開設計，而且在設計前也需要基于試驗結果來確定整個鋼結構應力較為薄弱的位置，在對比分析后從中篩選出最合適的施工位置，保證人孔布置位置的科學性。（2）在整個布置活動中，不允許將人孔布置在相同斷面位置處，需要采取錯開布置的方式進行布置。同時還需要做好細節(jié)方面的綜合性分析，考慮到人孔設置后該部位的承載力平衡情況，避免結構出現(xiàn)應力集中的情況，保證人孔布置結果的科學性。（3）在設計活動中，如果整個結構中應力較大的位置也需要布置人孔，那么在進行布置的同時，還需要計算增加后人孔應力的波動情況，并提前擬定好相應的加強措施，以提升整個結構設計結果的穩(wěn)固性，保證施工后結構的安全性。

2.4 加勁肋合理化設計

在橋梁鋼結構施工階段，加勁肋的主要作用是進一步提升整個結構的承載力，延長結構的使用壽命。加勁肋位置、尺寸的合理性也將影響到鋼結構應力分布均勻性、整體穩(wěn)固性。基于已有設計與實踐經(jīng)驗可以得知，加勁肋會集中布置在鋼結構支座或有集中荷載的位置，具體布置位置也需要在科學分析整個結構受力情況后再決定。在具體設計活動中，也需注意以下內(nèi)容：（1）綜合分析鋼結構的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗結果來確定整個鋼結構應力較為集中的位置，在對比分析后從中篩選出最合適的位置來布置加勁肋，使加勁肋的應用價值可以得到充分體現(xiàn)。（2）在整個布置活動中，會將加勁肋固定在具有穩(wěn)定支撐作用的位置，如橫梁、縱梁等部位。而且加勁肋也會根據(jù)實際情況，選擇布置橫向或縱向布置，過程中也會考慮加勁肋整體的承載平衡性，起到提升結構整體穩(wěn)固性的作用。（3）在設計活動中，如果確定整個結構中需要增設加勁肋，那么也會優(yōu)先使用豎向加勁肋，而具體的布置距離，也需要考慮整個腹板結構的厚度和剪應力。若是單一的加勁肋較難滿足加固要求，還需要在原有基礎上增設水平加勁肋，以此來提高整個結構的穩(wěn)定性，確保結構應用后的可靠性。

2.5 結構內(nèi)力科學計算

在設計活動中，為了提高設計結果的可靠性，也需要在前期做好結構內(nèi)力的計算工作，依據(jù)科學計算結果來為后續(xù)施工的進行提供可靠依據(jù)。一般情況下，結構內(nèi)力計算是以邊孔采用單懸臂，中孔采用簡支掛梁作為結構的計算模式。具體的計算階段需注意以下內(nèi)容：（1）對于橋梁縱向分布情況進行分析，并將其細分為多個單元，做好各個單元截面的編號工作，完成后進行項目數(shù)據(jù)錄入，并且做好數(shù)據(jù)信息的分類統(tǒng)計，以提高數(shù)據(jù)分析結果的科學性。（2）在計算活動中，會基于全預應力構件來展開結構安全性驗算，具體的驗算內(nèi)容包括結構預應力、收縮徐變情況、結構活載波動等。而且會在橋臺位置處提前布置好滑動支座，橋墩位置也會布置固定支座，具體參數(shù)也需要做好科學計算，以保證設計結果的科學性。（3）在對牛腿進行計算時，需要利用建立的模型來計算牛腿尺寸與配筋率，同時在計算中也需要對牛腿截面內(nèi)力、豎截面、最弱斜截面、45°斜截面抗拉性展開科學計算，為設計參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

2.6 鋼箱梁橫梁設計

在橋梁鋼結構施工期間，鋼箱梁橫梁的主要作用是分擔整個結構的承載力，以提高整個結構的穩(wěn)定性。橫梁尺寸、布置間距合理性也將影響到鋼結構荷載穩(wěn)固性。在具體的布置活動中，需要綜合考慮結構受力情況后再確定具體位置。具體設計活動中，也需注意以下幾點：（1）綜合分析鋼結構施工后的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗結果來確定鋼箱梁橫梁的布置間距，同時對于鋼箱梁橫梁尺寸進行合理化設計，將鋼箱梁橫梁應用價值充分體現(xiàn)出來。（2）在整個鋼箱梁橫梁布置活動中，需要對豎向結構展開科學計算，而且對于橫梁的跨徑需進行科學性分析，同時也需要做好支座間雙懸臂簡支梁計算工作，必要時也會在支座位置布置豎向加勁肋，而且豎向加勁肋無法滿足應用要求時，也需要在該部位增設橫向加勁肋，從而提高整個結構布置結果的科學性。

2.7 鋼結構材料設計

在橋梁鋼結構設計階段需做好鋼結構材料設計工作，保證材料設計結果的合理性，提升整個結構的穩(wěn)固性。在實際設計活動中也需注意以下幾點：（1）綜合分析橋梁鋼結構項目的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗結果來確定所需要的鋼結構材料，明確鋼結構材料的具體尺寸、強度要求、截面抗拉強度等參數(shù)，以提高所選鋼結構材料的合理性，保證其應用價值的順利體現(xiàn)。（2）在整個材料的設計活動中，也需要做好不同部位應力分布情況的考量工作，如特殊部位需要增設相應尺寸的鋼結構，并且也會利用模型來分析結構整體的承載平衡性，起到提升結構整體穩(wěn)固性的作用。（3）在設計活動中，還需要做好材料細部設計，并且也需要做好輔助材料（如涂料、焊接材料等）的科學選擇，以此來提升整個結構的穩(wěn)固性，提升設計方案的可行性。

2.8 結構防腐性設計

除上述提到的設計內(nèi)容外，在實際應用中也需要做好結構防腐性設計，目前經(jīng)常使用到的防腐體系如表1所示。并且在實際設計活動中也需注意以下內(nèi)容：（1）綜合分析橋梁鋼結構所處區(qū)域的實際情況，根據(jù)獲取到的分析結果，在比對表格中內(nèi)容后，選出最為合適的防腐體系，以提高防腐體系設計結果的合理性，延長結構使用后的生命周期。（2）在整個防腐體系的設計活動中，也需要做好不同部位防腐層厚度、施工工序的科學設計，以提高所使用防腐體系的應用價值[1]。（3）在設計活動中，還需要做好輔助工序的處理工作，如銹跡處理要求、表面處理要求等，提高所擬定設計方案的合理性與可行性。

表1 防腐體系對比分析

3 提高橋梁鋼結構整體設計質(zhì)量的措施

3.1 做好基礎資料整理

做好基礎資料整理工作，有利于橋梁鋼結構整體設計活動的有序推進，提高設計方案的科學性。在具體實踐中所需整理的內(nèi)容如下：（1）氣候資料整理，對于橋梁工程所在位置的氣候變化情況進行整理，并且利用評估體系，來分析該區(qū)域氣候環(huán)境的腐蝕特征，利于后續(xù)防腐措施的科學選擇。（2）水文資料整理，針對橋梁工程所在位置的水文資料（地下水水位、地表水流動情況、地表徑流變道情況、歷史雨季最大流量等）進行整理，以此來確定鋼結構的承載要求，使其可以滿足該區(qū)域的使用要求[2]。（3）地質(zhì)資料整理，包括地質(zhì)演變規(guī)律、是否處于地震帶位置、節(jié)理發(fā)育情況等，以此來確定橋梁工程鋼結構的抗震要求，利于鋼結構材料選擇活動的進行，保證所使用材料的合理性。

3.2 加強方案可行性論證

加強方案可行性論證，可以減少方案實施過程中的施工變更問題，減少方案執(zhí)行過程中帶來的成本支出。具體應用中的論證內(nèi)容如下：（1）結構沖突性，利用BIM技術來建立三維模型，在模型中進行碰撞試驗，根據(jù)碰撞試驗來消除結構沖突問題，以提高鋼結構、其他結構布置結果的合理性，減少后期施工變更問題。（2）質(zhì)量性和安全性分析，根據(jù)已經(jīng)建立的三維模型，對各結構受力情況進行分析，尤其是應力集中的位置，需要做好結構承載性分析，若不滿足要求也需通過增設補強結構的方式，來提高整個鋼結構布置結果的質(zhì)量性與安全性[3]。（3）經(jīng)濟性分析，即分析工程所帶來的綜合效益，并在綜合多方面因素后來優(yōu)化相關內(nèi)容，以提高工程施工后所帶來的綜合效益。

4 結束語

綜上所述，在橋梁鋼結構整體設計活動中，需要綜合考慮多項影響因素，在客觀分析這些內(nèi)容的關聯(lián)性之后，完成設計內(nèi)容的優(yōu)化與完善，提高設計方案的可行性。同時在設計活動中，也可以積累橋梁鋼結構整體設計經(jīng)驗，從而為設計體系的不斷完善提供可靠依據(jù)。