試析橋梁鋼結構整體設計優化策略

史梁

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

中國鋼結構橋梁的發展，近年來取得了驕人的成績，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構的優勢越來越明顯。橋梁是為滿足交通功能的建筑物，現代橋梁鋼結構由結構鋼加上單元經焊(栓)連接組成為復雜的受力系統，有明確的承載安全和服役耐久性要求。

1 鋼結構橋梁整體設計理念概述

鋼結構的特點是質量輕，強度高，并且具備其抗壓以及抗拉等相關優點，對于混凝土結構而言，其外觀更為直觀，強度等級更高。在我國，鋼結構橋梁應用十分廣泛。因為作為鋼結構的施工而言，其施工周期短。鋼結構橋梁主要應用在：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，對于現場交通不能較好地維護。②大跨徑海、江、河橋梁（長江大橋、杭州灣大橋等），因為大跨徑的要求下，只能考慮鋼結構，因為如果采用混凝土結構，根本滿足不了大跨徑要求。

1.1 鋼結構整體設計目標

我國橋梁鋼結構的設計使用年限為100年，與國際標準(BS5400，EURO CODE)基本一致。完整性設計的目標是確保結構在使用年限內的可靠與安全。橋梁鋼結構的完整性設計由荷載、材料性能、結構細節構造、制造工藝、安裝方法、使用環境及維護方式等多種因素所確定。設計除對結構、構件連接及構造細節按常規考慮強度、剛度要求外，尚需對損傷與損傷容限、斷裂與抗斷裂作出評定。

1.2 鋼結構損傷及損傷容限

鋼結構從材料加工過程到服役期不可避免的會在內部和表面形成和發生微小缺陷，在一定外部因素(荷載、溫度、腐蝕等)作用下，這些缺陷不斷擴展與合并形成宏觀裂紋，導致材料和結構力學性能劣化。對橋梁鋼結構而言，完整性和損傷是相對應的，損傷程度將會對結構的完整性帶來影響，損傷極限則是結構的失效。而損傷容限是指鋼結構在規定的使用周期內抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導致破壞的能力。損傷容限概念的使用是承認鋼結構在使用前存在有初始缺陷，但可通過結構完整性設計方法評判帶缺陷或損傷的鋼結構在服役期限內的安全性。

國內橋梁鋼結構因損傷導致局部破壞的實例近幾年時有發生，結構損傷構成了對橋梁安全與耐久最大的威脅。在引起設計者對焊接結構損傷、損傷擴展以及結構系統失效過程關注的同時，也引發了人們對如何保證橋梁鋼結構系統整體完整性的思考。

2 橋梁鋼結構整體設計策略

2.1 橫向抗傾覆穩定設計

鋼結構的橋梁普遍比較輕而且強度非常高，然而，在小半徑以及多車道設計時，其橫向抗傾覆是當前研究的熱點內容。早前的橋梁施工中，由于設計原因，導致在施工過程中或者橋梁使用過程中發生橋體傾覆。因為連續鋼梁的半徑比較小，所以相對而言，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，弄不好橫梁外側支座受力增大，而內側支座出現不受力，這樣橫梁受力極其不均勻，發生梁體的傾覆。在設計過程中，通過合理的計算，來設計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，并在滿足規范的條件下，增加多車道時的橋梁整體穩定度。

2.2 焊接結構完整性設計要點

橋焊接結構的完整性設計是保障橋梁整體穩定性的重要因素，其焊接的接頭形式因受力的不同而各有差異，其接頭部位的應力作用導致了母材結構以及受力性能的不同，同時，在焊接過程中不能100%消除應力，焊接應力通常導致焊接接頭的變形，造成焊接接頭形成大量缺陷，不能滿足橋梁整體性設計要求。所以在橋梁整體設計中，必須考慮焊接接頭的設計，在滿足相干規范的前提下，必須做到：①因地制宜地選擇形式，并通過焊接性檢測要求來獲取靜力和疲勞等級，來決定焊縫相關形式。②在焊接設計中，必須詳細設計其關鍵細節，達到焊接中受力均勻，盡可能降低應力。③在設計中必須考慮焊接檢測相關要求，必須以無損檢測等相關控制指標來檢測焊縫質量。

2.3 加勁肋設置

加勁肋是在支座或有集中荷載處，為保證構件局部穩定并傳遞集中力所設置的條狀加強件。加勁肋的設計，通常很多人都認為這方面是可有可無的，實際上必須通過設計計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，則優先考慮豎向加勁肋，并且其設置距離由腹板厚度以及相關剪應力來決定。當豎向加勁肋仍然不能滿足要求時，可設置水平加勁肋，水平加勁肋是豎向加勁肋的補充形式。

加勁肋的設置是因為原有構件截面的不足而用來增強抵抗彎矩和剪力的，因為設置加勁肋可以縮小原構件截面大小，從而有效的降低用鋼量，壓縮成本，所以在工程中，一般設置在原有構件上起到增強抵抗彎矩和剪力的作用。

2.4 鋼箱梁橫梁設計

當橋梁主道設計過寬時，必須優化車道鋼結構寬箱梁，在設計中，重點滿足其豎向計算要求，對于橫梁的跨徑，需要從支座間雙懸臂簡支梁的計算中得知，在支座處可采取豎向加勁肋相關措施，當豎向加勁肋不能滿足要求時，考慮橫向加勁肋，其計算措施與縱向計算措施相仿。

2.5 施工人孔的設置

橋梁的整體設計中，其不可忽視的一環是人孔的設置，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。頂板施工人孔的具體位置可設置在1.5跨徑處，而腹板的施工人孔的具體位置必須設置在應力相對薄弱的地方，比如簡支梁，其腹板施工人孔可設置在跨中，而連續梁，必須精確計算剪力，選取剪力最小處。有時候人孔的設計不止一個，不能將所有人孔分布在相同斷面，采取錯開設置。當應力較大的地方必須加設施工人孔，必須采取加強措施。

2.6 結構內力計算

結構內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。將橋梁縱向劃分為多個單元，并對每個單元截面進行編號，然后進行項目原始數據輸入。輸入的數據信息有：項目總體信息、單元特征信息、預應力鋼束信息、施工階段和使用階段信息。按全預應力構件對全橋結構安全性進行驗算，計算的內容包括預應力、收縮徐變及活載計算。橋臺處滑動設支座，橋墩處設固定支座，碇梁與掛梁間存在主從約束，掛梁一端設置固定支座，另一端設滑動支座。牛腿計算是對預先設計好的牛腿尺寸和配筋分4個步驟進行驗算：①牛腿的截面內力。求出截面內力后對各種危險截面進行強度校核；②豎截面驗算。按偏心受壓桿件驗算抗彎和抗剪強度或按受彎桿件驗算強度；③最弱斜截面驗算。求得最弱斜截面位置后，按偏心受拉構件驗算此斜截面的強度；④45°斜截面的抗拉驗算。

3 結語

我國基礎建設的加快，帶動了橋梁技術的長足發展，在當前形勢下，橋梁鋼結構的整體應用也十分廣泛，主要是在設計過程中的優化，才能確保橋梁鋼結構的整體性、穩定性。必須從整體性角度出發，全面分析橋梁受力情況，加強焊接形式的優化設計，才能保障橋梁鋼結構的整體質量。

[1]中華人民共和國鐵道行業標準.鐵路橋梁鋼結構設計規范(TB10002.2-2005).北京.中國鐵道出版社.2005.

[2]葉見曙.結構設計原理(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計要點[J].世界橋梁.2009.（A01）.14-17.