關于橋梁鋼結構的設計探討

吳寬

（中交公路規劃設計院有限公司，杭州310000）

1 引言

目前，我國道路交通事業已步入新發展階段，橋梁建設已成為公共交通建設的核心構成，其不受空間限置，與道路及隧道形成廣闊的交通路網，為人們生產、生活提供便利，推動我國經濟發展。但是，近幾年隨著橋梁坍塌、斷裂等現象頻頻發生，給人們生命及財產安全構成嚴重威脅，所以國家對橋梁設計日益重視。鋼結構作為橋梁核心構成，為消除各類不安全因素，提升橋梁承載力，需將鋼結構設計方案予以優化及完善，保證鋼結構方案的合理性及全面性，為橋梁安全性及整體性提供保障。

2 鋼結構整體設計理念

2.1 橋梁鋼結構的整體性設計目標

橋梁鋼結構整體性設計主要核心為：確保橋梁鋼結構在特定使用年限內，具有良好的安全性及穩定性。在橋梁鋼結構設計中，因其受載荷、制造工藝、材質性能、安裝方法、使用環境等眾多因素影響，給設計人員提出新的任務與挑戰，所以在設計中，不僅需對其結構、細節、構件連接予以充分考量，而且還需對損傷及損傷容限、抗斷裂性能進行綜合考量，才能確保鋼結構方案具有整體性。

2.2 鋼結構損傷及損傷容限

鋼結構從材料加工至使用進程中，其內部及表面均會產生不同程度變化，造成部分缺陷。隨著時間推移，在載荷、溫度、腐蝕等作用下，缺陷會不斷擴張從而形成宏觀缺陷，降低材料結構性能。損傷容限的判定作為整體性優化設計核心，其上述因素均可導致鋼結構出現時效現象，致使橋梁自身不具備完整性。因此，橋梁設計人員在進行設計時，對損傷容限應予以重視，保證鋼結構不會因外部因素造成腐蝕及損傷，保證其具有完整性。

3 鋼結構設計策略

3.1 橫向抗傾覆穩定設計

鋼結構橋梁通常較輕且具有較強的剛度，所以在其小半徑及多車道設計進程中，橫向傾覆設計為其核心內容。在傳統橋梁施工中，鋼結構設計不當，會導致施工中或橋梁使用期間出現橋體傾覆的現象。因連續鋼梁半徑較小，跨度較大，加之橋面寬度比鋼梁大，必定造成活載不是最佳值，嚴重時橫梁外側支座受力不斷增大，而內側支座不受力，使橫梁受力出現不均衡現象，造成梁體傾覆。因此，在設計進程中，通過對其各部分受力情況精確計算，合理設計橫梁偏心受力狀況，如此不僅可以滿足橋梁載荷需求，也能使橋體受力均衡。此外，為提升橋梁整體穩定性，在符合要求的基礎上，可以在橫梁處采取灌沙措施，為多車道橋梁整體穩定性提供保證。

3.2 焊接結構完整性設計要點

焊接結構完整性設計，為橋梁整體穩定性提供了保障。但在焊接結構設計中，焊接接頭形式不同會使受力存在較大差異，接頭部位應力也會造成母材受力存在偏差。同時，在焊接進程中往往不能100%消除應力，所以使焊接接頭出現變形，從而無法滿足橋梁整體性設計要求。因此，在橋梁設計中，必須將焊頭接頭形式加以重視，根據橋梁整體性設計要求，必須做到以下幾點：

1）根據橋梁工程實際情況，選取科學、合理的焊接形式，并利用焊接檢測要求獲取靜力及疲勞等級，以此選取焊縫處理方式，使焊接的各構件受力均衡，最大限度降低應力。

2）需按照焊接檢測要求實施焊接作業，按設計要求提升焊接質量[1]。

3.3 加勁肋設置

加勁肋是在支座或載荷集中的地方，為了保證構件在局部具有良好的穩定性，所設置的條狀加強件。有人認為，加勁肋設計有無均可，對橋梁鋼結構整體不會造成很大影響。實際上此種意識不正確，其需經過嚴密的設計計算，確定是否有必要設置加勁肋，其存在與否與腹板值息息相關。若一旦確定需加設加勁肋，應優先考慮豎向加勁肋，設置其距離時以腹板厚度與剪應力為基礎，當豎向加勁肋無法滿足鋼結構需求時，應引入水平加勁肋做以輔助。

加勁肋設置主要是因原構件截面不足，以此將原構件截面大小予以調整，提升構件抵抗彎矩及剪力性能，有效降低鋼使用總量，從而減少材料投入成本。因此，在工程中，加勁肋通常設置在原有構件上，以此增強抵抗彎矩及剪力性能[2]。

3.4 鋼箱橫梁及施工人孔設計

在橋梁設計中，若主道設計過寬時，必須將車道鋼結構寬箱梁予以優化，從而滿足豎向計算需求。在具體設計中，需將重點放在豎向計算的基礎上，再計算橫梁自身跨徑，若其中涵蓋雙懸臂的簡支梁，應對豎向加強筋狀況予以關注。通過精確計算，若豎向及橫向加勁肋與橋梁規定強度不相符，則需進行科學、合理的強化處理。

在箱梁設計之外，對鋼結構涵蓋的人孔也應進行優化設計。一般情況下，為便于施工需設置相應人孔，主要在橋梁箱梁頂板及腹板上開設，具體位置在1.5倍跨徑處，而腹板人孔必須設置在應力較為薄弱區域，如簡支梁，其施工人孔可設置在跨中；而對于連續梁而言，必須將其剪力予以明確，選取剪力較小部位。對于人孔設計不局限于一個，不能將其均設置在相同斷面上，應采取錯開設置[3]。

3.5 結構內力計算

在橋梁整體結構設計中，結構內力計算為其核心部分。一般在計算結構內力時，均會涵蓋簡支梁或單懸臂模式，所以應將橋梁分為各受力單位，并對其設置不同編號，將其放置于不同截面上，最終根據最初數據及相關項目信息，對其結構內力進行計算。通常，結構內力計算會涉及項目信息、預應力鋼束位置、個單元結構特征等，應通過重復審核驗算判定橋梁整體安全性能，從而完成載荷、收縮徐變等。

4 橋梁設計注意事項

4.1 重視耐久性

從20世紀90年代開始，橋梁設計時對其耐久性加以重視，并取得一定成就。此研究成果大多以材料及統計分析為出發點，很少涉及結構耐久性的設計研究。由于結構耐久性與常規設計存在較大差異，其對橋梁安全運營及經濟發展具有重要作用。因此目前，應對橋梁耐久性加以重視，并加大研究力度。

4.2 加強對疲勞損傷的研究

橋梁結構承受的車輛載荷與風載荷均為動載荷，會在結構內部產生一定影響，引發結構振動，長此以往形成結構疲勞積累損傷。在橋梁建設中，因其使用材料并非均勻連續，其中存在微小缺陷，隨著時間推移，會使缺陷發展成為宏觀裂紋，若不加以把控，極易引起材料、結構脆性斷裂。通常早期疲勞損傷難以被檢測，但其引發的后果不可估量，所以應對其疲勞損傷予以重視。

4.3 充分重視橋梁超載問題

橋梁超載一定程度上會引發疲勞損傷，使疲勞應力增大，嚴重情況下會引發橋梁結構斷裂事故。又因橋梁內部損傷無法修復，致使橋梁在正常運行下狀態發生改變，影響橋梁的安全性及持久性。所以，在進行設計時，需充分重視橋梁超載問題。

4.4 借鑒國外經驗及成果

國內橋梁設計中存在的問題主要包括結構使用性能差、耐久性不足、安全性較低等，此類問題的產生與施工質量及管理水平息息相關，但與設計也有較大關系。設計人員需正視此類問題，并在此基礎上充分考量當下施工及管理水平，借鑒國外成功經驗，采用科學、合理的措施，保證橋梁使用性能。

5 結語

橋梁鋼結構是否具有良好的穩定性，直接決定橋梁自身承載力及其他受力特征，設計人員需對其予以重視，并從整體局面出發，將橋梁受力情況予以明確，從焊接形式、抗傾覆性、梁箱與人孔等方面進行優化設計，以此保證鋼結構整體質量。