試析橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

史梁

（黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

中國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，近年來取得了驕人的成績(jī)，南京三橋、蘇通大橋、昂船洲大橋的建造，表明在大跨徑橋梁上鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。橋梁是為滿足交通功能的建筑物，現(xiàn)代橋梁鋼結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)鋼加上單元經(jīng)焊(栓)連接組成為復(fù)雜的受力系統(tǒng)，有明確的承載安全和服役耐久性要求。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體設(shè)計(jì)理念概述

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，并且具備其抗壓以及抗拉等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)而言，其外觀更為直觀，強(qiáng)度等級(jí)更高。在我國，鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用十分廣泛。因?yàn)樽鳛殇摻Y(jié)構(gòu)的施工而言，其施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要應(yīng)用在：①城市立交橋段，尤其是交通要道處，如果采用混凝土橋，必然增加施工周期，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)交通不能較好地維護(hù)。②大跨徑海、江、河橋梁（長江大橋、杭州灣大橋等），因?yàn)榇罂鐝降囊笙?，只能考慮鋼結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿绻捎没炷两Y(jié)構(gòu)，根本滿足不了大跨徑要求。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)

我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，與國際標(biāo)準(zhǔn)(BS5400，EURO CODE)基本一致。完整性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的可靠與安全。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)由荷載、材料性能、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造、制造工藝、安裝方法、使用環(huán)境及維護(hù)方式等多種因素所確定。設(shè)計(jì)除對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件連接及構(gòu)造細(xì)節(jié)按常規(guī)考慮強(qiáng)度、剛度要求外，尚需對(duì)損傷與損傷容限、斷裂與抗斷裂作出評(píng)定。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)損傷及損傷容限

鋼結(jié)構(gòu)從材料加工過程到服役期不可避免的會(huì)在內(nèi)部和表面形成和發(fā)生微小缺陷，在一定外部因素(荷載、溫度、腐蝕等)作用下，這些缺陷不斷擴(kuò)展與合并形成宏觀裂紋，導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化。對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)而言，完整性和損傷是相對(duì)應(yīng)的，損傷程度將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性帶來影響，損傷極限則是結(jié)構(gòu)的失效。而損傷容限是指鋼結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用周期內(nèi)抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導(dǎo)致破壞的能力。損傷容限概念的使用是承認(rèn)鋼結(jié)構(gòu)在使用前存在有初始缺陷，但可通過結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)方法評(píng)判帶缺陷或損傷的鋼結(jié)構(gòu)在服役期限內(nèi)的安全性。

國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)因損傷導(dǎo)致局部破壞的實(shí)例近幾年時(shí)有發(fā)生，結(jié)構(gòu)損傷構(gòu)成了對(duì)橋梁安全與耐久最大的威脅。在引起設(shè)計(jì)者對(duì)焊接結(jié)構(gòu)損傷、損傷擴(kuò)展以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效過程關(guān)注的同時(shí)，也引發(fā)了人們對(duì)如何保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體完整性的思考。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)策略

2.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的橋梁普遍比較輕而且強(qiáng)度非常高，然而，在小半徑以及多車道設(shè)計(jì)時(shí)，其橫向抗傾覆是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。早前的橋梁施工中，由于設(shè)計(jì)原因，導(dǎo)致在施工過程中或者橋梁使用過程中發(fā)生橋體傾覆。因?yàn)檫B續(xù)鋼梁的半徑比較小，所以相對(duì)而言，其跨度顯得較大，如果再加上橋面寬于鋼梁，這一必定顯得活載不是最優(yōu)，弄不好橫梁外側(cè)支座受力增大，而內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)不受力，這樣橫梁受力極其不均勻，發(fā)生梁體的傾覆。在設(shè)計(jì)過程中，通過合理的計(jì)算，來設(shè)計(jì)橫梁的偏心受力情況，這樣即可滿足橋梁的荷載要求，也能似的橋體均勻受力。在橫梁處采取灌砂措施，并在滿足規(guī)范的條件下，增加多車道時(shí)的橋梁整體穩(wěn)定度。

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

橋焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)是保障橋梁整體穩(wěn)定性的重要因素，其焊接的接頭形式因受力的不同而各有差異，其接頭部位的應(yīng)力作用導(dǎo)致了母材結(jié)構(gòu)以及受力性能的不同，同時(shí)，在焊接過程中不能100%消除應(yīng)力，焊接應(yīng)力通常導(dǎo)致焊接接頭的變形，造成焊接接頭形成大量缺陷，不能滿足橋梁整體性設(shè)計(jì)要求。所以在橋梁整體設(shè)計(jì)中，必須考慮焊接接頭的設(shè)計(jì)，在滿足相干規(guī)范的前提下，必須做到：①因地制宜地選擇形式，并通過焊接性檢測(cè)要求來獲取靜力和疲勞等級(jí)，來決定焊縫相關(guān)形式。②在焊接設(shè)計(jì)中，必須詳細(xì)設(shè)計(jì)其關(guān)鍵細(xì)節(jié)，達(dá)到焊接中受力均勻，盡可能降低應(yīng)力。③在設(shè)計(jì)中必須考慮焊接檢測(cè)相關(guān)要求，必須以無損檢測(cè)等相關(guān)控制指標(biāo)來檢測(cè)焊縫質(zhì)量。

2.3 加勁肋設(shè)置

加勁肋是在支座或有集中荷載處，為保證構(gòu)件局部穩(wěn)定并傳遞集中力所設(shè)置的條狀加強(qiáng)件。加勁肋的設(shè)計(jì)，通常很多人都認(rèn)為這方面是可有可無的，實(shí)際上必須通過設(shè)計(jì)計(jì)算才能決定是否加勁肋。加勁肋與否，是有腹板的h0/δ的值來決定。如果確定需要加勁肋，則優(yōu)先考慮豎向加勁肋，并且其設(shè)置距離由腹板厚度以及相關(guān)剪應(yīng)力來決定。當(dāng)豎向加勁肋仍然不能滿足要求時(shí)，可設(shè)置水平加勁肋，水平加勁肋是豎向加勁肋的補(bǔ)充形式。

加勁肋的設(shè)置是因?yàn)樵袠?gòu)件截面的不足而用來增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力的，因?yàn)樵O(shè)置加勁肋可以縮小原構(gòu)件截面大小，從而有效的降低用鋼量，壓縮成本，所以在工程中，一般設(shè)置在原有構(gòu)件上起到增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力的作用。

2.4 鋼箱梁橫梁設(shè)計(jì)

當(dāng)橋梁主道設(shè)計(jì)過寬時(shí)，必須優(yōu)化車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁，在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)滿足其豎向計(jì)算要求，對(duì)于橫梁的跨徑，需要從支座間雙懸臂簡(jiǎn)支梁的計(jì)算中得知，在支座處可采取豎向加勁肋相關(guān)措施，當(dāng)豎向加勁肋不能滿足要求時(shí)，考慮橫向加勁肋，其計(jì)算措施與縱向計(jì)算措施相仿。

2.5 施工人孔的設(shè)置

橋梁的整體設(shè)計(jì)中，其不可忽視的一環(huán)是人孔的設(shè)置，通常情況下，人孔是為了方便施工，在橋梁箱梁頂板和腹板上開設(shè)。頂板施工人孔的具體位置可設(shè)置在1.5跨徑處，而腹板的施工人孔的具體位置必須設(shè)置在應(yīng)力相對(duì)薄弱的地方，比如簡(jiǎn)支梁，其腹板施工人孔可設(shè)置在跨中，而連續(xù)梁，必須精確計(jì)算剪力，選取剪力最小處。有時(shí)候人孔的設(shè)計(jì)不止一個(gè)，不能將所有人孔分布在相同斷面，采取錯(cuò)開設(shè)置。當(dāng)應(yīng)力較大的地方必須加設(shè)施工人孔，必須采取加強(qiáng)措施。

2.6 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算是以邊孔采用單懸臂，中孔采用簡(jiǎn)支掛梁作為結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式。將橋梁縱向劃分為多個(gè)單元，并對(duì)每個(gè)單元截面進(jìn)行編號(hào)，然后進(jìn)行項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)輸入。輸入的數(shù)據(jù)信息有：項(xiàng)目總體信息、單元特征信息、預(yù)應(yīng)力鋼束信息、施工階段和使用階段信息。按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件對(duì)全橋結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算的內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)力、收縮徐變及活載計(jì)算。橋臺(tái)處滑動(dòng)設(shè)支座，橋墩處設(shè)固定支座，碇梁與掛梁間存在主從約束，掛梁一端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)滑動(dòng)支座。牛腿計(jì)算是對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)好的牛腿尺寸和配筋分4個(gè)步驟進(jìn)行驗(yàn)算：①牛腿的截面內(nèi)力。求出截面內(nèi)力后對(duì)各種危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核；②豎截面驗(yàn)算。按偏心受壓桿件驗(yàn)算抗彎和抗剪強(qiáng)度或按受彎桿件驗(yàn)算強(qiáng)度；③最弱斜截面驗(yàn)算。求得最弱斜截面位置后，按偏心受拉構(gòu)件驗(yàn)算此斜截面的強(qiáng)度；④45°斜截面的抗拉驗(yàn)算。

3 結(jié)語

我國基礎(chǔ)建設(shè)的加快，帶動(dòng)了橋梁技術(shù)的長足發(fā)展，在當(dāng)前形勢(shì)下，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)用也十分廣泛，主要是在設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)化，才能確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。必須從整體性角度出發(fā)，全面分析橋梁受力情況，加強(qiáng)焊接形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保障橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

[1]中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.2-2005).北京.中國鐵道出版社.2005.

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第二版)[M].北京.人民交通出版社.2005.

[3]盧永成等.上海長江大橋主航道橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].世界橋梁.2009.（A01）.14-17.