淺論橋梁鋼結構的完整性設計

摘要：

隨著我國經濟的快速發展，國家加快了公路、橋梁等基礎設施的建設步伐，鋼結構橋梁越來越多得出現在工程建設中。但是近幾年國內外發生的多起橋梁鋼結構破壞事故引起設計者對焊接結構安全性能的關注，同時也引發了對如何保證橋梁鋼結構完整性的思考。本文通過分析鋼結構完整性設計的理念以及橋梁鋼結構損壞的主要表現，探討研究了橋梁鋼結構完整性設計的方法。

前言

隨著國民經濟的快速發展，國家加快了鋼結構橋梁工程的建設步伐，鋼結構不僅運用在橋梁工程中，在其它一些建設工程中也得到了廣泛的應用。隨著鋼結構應用的增加，鋼結構本身的質量對于工程安全也就顯得尤為重要。在現代橋梁設計中，鋼結構不僅是橋梁美觀的保證，同時也是保障橋梁質量的關鍵。大部分橋梁設計人員注重對鋼結構中焊接結構質量的研究，卻忽略了對鋼結構整體性的思考與研究。近年來，國內外發生的多起橋梁鋼結構破壞事件，也引發了橋梁設計者對鋼結構整體性的進一步研究。

1.鋼結構完整性設計理念

橋梁作為滿足交通功能的重要建筑物，在現代的交通建設具有重要的連接作用。現代橋梁的鋼結構主要是由結構鋼單位經過焊接形成完整的承重建構，其受力系統復雜，要求的安全系數高，有明確的服役期限與耐久性要求。

橋梁設計者需要根據嚴格的設計規范設計出滿足強度、剛度、穩定性以及耐久性要求的橋梁，但在橋梁的實際使用中，鋼結構仍會因為先天的設計缺陷或是各類事故而出現損壞。產生損壞的原因眾多，一些橋梁損壞均是由于鋼結構局部破壞造成的，在引起設計者對于局部焊接結構損傷、損傷擴展以及結構系數失效過程關注的同時，也引發了對于如何保證橋梁鋼結構完整性設計的思考。橋梁鋼結構的完整性設計一方面應考慮結構本身的強度與穩定性要求，另一方面又要對關聯耐久的損傷和斷裂進行相應的研究，即要同時從兩方面考慮并能保證鋼結構的使用要求，具有系統性、整體性以及綜合性的特點。完整性設計的目標主要是確保結構在年限內可靠與安全地使用。而對于橋梁鋼結構的完整性設計而言，主要應考慮荷載、結構細節構造、材料性能、制造工藝、安裝方法、結構維護以及使用環境等多方面的影響因素，完整性設計不僅對于結構及構件的強度、剛度等有嚴格的要求之外，還需要對損傷及損傷容限、斷裂及抗斷裂做出具體的評定。

2.橋梁鋼結構損傷的主要表現

隨著焊接技術以及高強度材料在橋梁鋼結構中的廣泛使用，焊接工藝的缺陷以及材料缺陷逐漸成為了橋梁設計者關注的焦點。橋梁鋼結構的損傷在材料、工藝以及使用過程中均有發生，具體的損傷表現有以下幾類：

2.1材料的損傷主要是由于原材料在冶煉或軋制過程中帶來的缺陷，如非金屬混雜物等。當有缺陷的材料參與焊接熱過程時，就極易出現層狀撕裂等問題。

2.2在焊接過程中由于金屬結晶而使熱影響區的材料的力學性能劣化，材料的強度增強而韌性降低。設計者應注意焊縫密集或焊縫尺寸偏大對材料性能的不良影響。

2.3由于焊接工藝缺陷兒出現裂紋、未熔合、夾渣、咬邊等焊接缺欠。鋼結構中的短焊縫由于缺欠較多，常會導致鋼結構疲勞裂紋。

2.4橋梁鋼結構損傷最多的區域為結構的幾何應力集中區，統計表明，橋梁鋼結構因細節設計不良而出現焊接裂紋的情況占出現焊接裂紋總數的46%，因此細節設計是控制鋼結構損傷的重點。

2.5橋梁在服役過程中往往會受到自然環境因素的不斷影響，加之幾何應力的集中疊加使得鋼結構損傷進一步擴展，嚴重威脅到橋梁的安全使用。

3.橋梁鋼結構的完整性設計方案

3.1橫向抗傾覆的穩定性設計

鋼結構的橋梁通常情況下都具有重量輕強度大的特點，對于一些小半徑及多車道的鋼結構橋梁而言，其橫向抗傾覆的穩定性設計則成為了設計師研究的重點。傾斜的原因是由于連續橋梁的半徑較小從而使橫梁兩側受力不均勻，這樣就極有可能出現橋體的傾斜。因此，橋梁設計者在設計過程中應嚴格計算橫梁的受力情況，不僅要保證橋梁的正常荷載，還應保證橋體受力均勻。

3.2焊接結構上的完整性設計

橋梁焊接結構的完整設計是保證橋梁穩定性、完整性及安全性的重要環節，在實際的焊接過程中，應根據不同部位的焊接要求及鋼結構受力情況進行相應的調整。焊接結構中接頭部位的應力作用將會影響到鋼結構的受力性能，同時接頭受到應力作用會產生形變，并會出現大量的缺陷而影響到橋梁的完整性設計。

因此在整個焊接結構的完整性設計中應著重關注各個接頭的焊接情況。在焊接結構的完整性設計中，應有針對性得選擇合適的焊接形式，關注焊接的關鍵細節部位，并嚴格依據標準進行焊接質量檢測。

3.3加勁肋部位的完整性設置

加勁肋是橋梁集中符合的部位，處于橋體的底座位置，加勁肋良好的穩定性是保證橋梁正常使用的基礎之一。

為保證構件的穩定性，并作為集中力去傳送，常常會在加勁肋部位設置相關的加強部件。加勁肋的設計應充分考慮計算結果，如果原構件的截面積明顯不足，就可以通過加勁肋的設置來增強抵抗彎矩力及剪切力的能力，并降低用鋼量，減少建設成本。