橋梁鋼結構完整性設計要點

侯寶林

（天津市市政工程設計研究院南京分院，江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來，城市現代化建設進程顯著加快，切實推動著社會經濟水平的穩步提升，隨著交通運輸產業的蓬勃發展，道路橋梁等基礎設施面臨的通行壓力逐步加大，對設施結構的強度性能與承載能力提出了更高要求。優化鋼結構完整性設計，關鍵在于綜合把握并全面考慮橋梁的使用現狀，在實際使用過程中出現的質量問題，采取改進與應對策略，保障橋梁結構在使用階段的安全性。

1 我國現代橋梁的使用現狀

1.1 交通荷載大

社會經濟發展水平的穩步提升，為人們帶來了更好的生活條件。近年來，汽車產業呈現出蓬勃發展的趨勢，大眾對汽車的需求量與使用量大幅增加，各地交通運輸網絡愈發完善，可供大眾選擇的出行方式愈發趨于多樣化，這也使得人們在工作生活以及節假日中的出行頻率逐年提高。在交通體系中，道路橋梁是最為關鍵的組成部分，面臨著較高的交通量與荷載量，很多城市逐漸出現了愈發嚴重的交通擁堵問題，對城市及地區的現代化建設造成了一定的阻礙與制約作用。要使得此種交通局面得到有效改善，還需以高架橋梁、立交橋等橋梁工程的施工建設為切入點，逐步加大在此方面的技術投入與資金投入，為城市提供便利可靠的交通運輸條件，促使當前交通堵塞等問題得以有效緩解。完善橋梁結構完整性設計，在于滿足橋梁荷載顯著增大的發展需求，提高橋梁自身的強度性能與承載能力，為其在使用過程中提供安全保障[1]。因此，橋梁中鋼結構與橋梁的荷載能力有直接的影響，橋梁鋼結構組成復雜，如鋼板梁橋，其組成如圖1 所示。

圖1 鋼板梁橋組成

1.2 超載現象嚴重

在當前我國現存的所有橋梁中，早期修建的占較大部分。在當時有限的建設條件下，橋梁工程的設計與施工都存在較大的局限性，應用的技術工藝較為單一，整體結構的承載能力較弱。隨著現代化發展建設速度逐步加快，人們在交通運輸方面的需求顯著增加，早期修建的橋梁道路普遍存在著較為嚴重的超載問題。橋梁在使用過程中存在的安全隱患也愈發明顯，對過往車輛與行人的人身安全帶來嚴重威脅。部分大型車輛經過帶來的超載問題，在很大程度上直接破壞橋梁的內部結構，對其實際使用壽命、后續的正常使用也造成嚴重影響。

2 橋梁鋼結構損傷的主要表現

2.1 材料損傷

鋼材在冶煉和澆鑄過程中會產生冶金缺陷。如磷和硫等有害元素都是在煉鋼過程中不能完全清除，澆鑄時FeO 與C 作用產生的CO 氣體不能充分逸出而在鋼材中形成微小氣泡等。這些缺陷都會影響材料性能，使鋼材塑性、韌性有所下降。另一方面，鋼材受溫度影響較大，溫度升高和降低都會使鋼材性能發生變化。當溫度降低到一定程度時，材料破壞由韌性破壞轉變成脆性破壞，因此低溫性能尤為重要。溫度越低，材料沖擊韌性要求更高，寒冷地區如東北地區的鋼結構橋梁需采用E 級鋼。此外，孔洞、支點、牛腿以及不良的構造設計帶來的應力集中也會引發材料損傷，誘發板材開裂[2]。

2.2 焊接損傷

焊縫附近鋼材因焊接的高溫作用而形成熱影響區，其金相組織和機械性能發生變化，某些部位材質變脆。焊接過程中鋼材受到不均勻的高溫和冷卻，使結構產生焊接殘余應力和殘余變形，影響結構的承載力、剛度和使用性能[3]。設計常片面提高焊接標準、增大焊縫尺寸，除了大量增加焊接工作量和工程成本外，還會因結構的過度焊接、反復加熱而產生大量的焊接殘余應力、殘余變形和延遲裂紋隱患，從而降低結構安全及使用壽命。

3 橋梁鋼結構完整性設計要點

3.1 強度

材料的選用并非強度等級越高越好。強度級別高，其塑性和韌性都會下降，對損傷的敏感性增加，因碳當量的增加，焊接難度也隨之增加。板材應遵循“寧薄勿厚”的原則。較之薄板，厚板的綜合性能偏低。焊接過程帶來的熱效應更突出，對工藝和接頭的使用性能更不利。同時，板厚的增加也并不能緩解疲勞裂紋的擴展。在鋼結構設計中焊接接頭韌性是控制指標，應糾正過度追求母材高性能，而忽視焊接接頭性能和構造形式。合理的焊接結構應按需要布置焊縫和設定焊腳尺寸，避免過度焊接。盡量減少焊接熱過程帶來的損傷，低損傷度的焊接接頭是結構耐久性的根本保證。

3.2 剛度

鋼橋自重和剛度相對較小，變形和振動比混凝土橋大，為避免過大的變形和振動對車輛行駛的安全性和舒適性產生不良影響，鋼橋必須有足夠的整體剛度，因此規范通過限制桿件的長細比和撓度等，保證橋梁具備足夠的剛度。考慮到恒載作用下，橋梁結構將產生變形，為保證成橋后的橋面曲線平順，鋼橋橋面應設置預拱度，對于不同的結構形式應采用不同的預拱度設計。鋼箱梁加工常通過橫隔板的布置控制箱體線形，因此設計預拱度時應采用平順的曲線與豎曲線縱坡疊合，并標注每道橫隔板處的預拱度。鋼桁梁預拱度通常通過改變上弦桿件長度增加或者減少，維持腹桿及下弦橋面桿件長度不變，來使橋面節點達到上拱的目的。常用的預拱度設置方式有無內力起拱、有內力起拱和桁外力起拱等。

鋼結構人行橋因其結構形式較輕柔，易產生振動問題。由于各種振動而導致的橋梁適應性降低乃至破壞的事件時有發生，我國現行人行天橋規范規定天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。隨著鋼結構人行橋逐步往跨度大、造型柔、結構輕的方向發展，自振頻率一般不滿足大于3Hz 的要求。提升結構自振頻率常采用兩種方案：增加結構自身剛度和設置阻尼裝置，前者對中小跨徑橋梁會有較明顯的改善，但對大跨徑的橋梁提升效果甚微，且對工程造價影響極大，經濟性不佳；后者是一種常見的抑制振動的有效措施，常用的阻尼器有黏滯阻尼器、調諧質量阻尼器（TMD）、調諧液體阻尼器等。在沒有適合我國國情的人行橋動力分析指南及舒適性評價標準情況下，可參照德國《人行橋設計指南EN03（2007）》進行分析及評價。

3.3 穩定性

鋼橋作為薄壁結構，自重和剛度相對較小，穩定性突出，鋼結構穩定性包括整體穩定性和局部穩定性。整體穩定主要包含橫向抗傾覆驗算和寬高比、寬跨比計算等設計內容，因近年來車輛超載引起的箱梁傾覆失穩直至垮塌事故頻發，鋼橋的橫向抗傾覆性能是設計的重點。橫向抗傾覆設計主要是依托于精確的計算分析，對橋梁關鍵部位的實際受力情況予以深入研究，確保橋梁橫向方向上受到相對均勻的作用力，防止因受力分析不準確、結構設計不到位等問題，導致橋梁結構受力不均，進而加快鋼結構遭受損壞的速度。由此可見，設計橋梁鋼結構的橫向抗傾覆性能，應該以綜合性、完整性的受力分析為基礎，在合理適宜的范圍內科學控制橫梁的受力情況。在條件允許的情況下，可以在橋梁橫梁處選定一個適當的位置，使用鐵砂混凝土或鑄鐵等材料對其進行填充壓重處理，確保鋼結構在實際使用階段的受力更加均勻，全面提升橋梁的穩定性與安全性。

為防止加勁肋先于母板失穩，一般采用剛性加勁肋作為母板的有效支撐。受壓板件由穩定控制構件承載力，設置加勁肋是最合理的方式，而加勁肋應該有足夠的剛度。因此，局部穩定性常采用“薄板強肋”的設計原則，既可滿足結構承載要求，又符合鋼結構輕量化設計的思想。規范中對主梁翼緣板的寬厚比和加勁肋的寬厚比和慣性矩做了限值，滿足這些構造要求即可防止在制作、運輸、安裝和運行過程中出現局部失穩。

3.4 疲勞

構件和連接拉應力大小發生變化或出現拉壓交替變化時要考慮疲勞的影響。由于汽車荷載是導致疲勞破壞的主要因素，故規范規定承受汽車荷載的結構構件與連接應進行疲勞驗算。鋼橋面是出現疲勞破壞的主要部位并且帶有不可修復性，國外規范采用標準化的結構細節來保證其抗疲勞性能。我國規范對鋼橋面的最小厚度、頂板加勁肋尺寸和剛度、頂板與加勁肋的焊接要求等細部構造提出了相應要求，國內也在研究解決U 肋與頂板連接部位的疲勞開裂問題，如采用U 肋內焊等技術提高該接頭的抗疲勞性能。焊接結構疲勞與強度關系不大，主要受應力幅控制，在構造細節方面，疲勞強度與幾何突變關系較為密切，因此鋼箱梁腹板常設置于行車輪跡中心線0.6m 之外，以降低橋面剛度突變產生的疲勞裂紋。改善結構疲勞性能的措施主要有：增大構件截面，降低應力幅水平；采用合理的構造細節，選擇應力集中程度低的構造方案，當應力集中不可避免時，盡可能將其設置于低應力區；盡量避免多條焊縫交匯；現場拼接焊縫替換為抗疲勞性能好的高強度螺栓連接。

3.5 防腐

盡管鋼結構橋梁具有良好的使用性能，為建設施工提供了較大的便利條件，但由于鋼材性質具有一定的特殊性，環境因素很容易對鋼結構起到腐蝕作用，因而對其結構的整體防腐蝕設計也提出了較高要求。提高完整性設計水平，需要將防腐蝕方面的設計完善放在首要位置上，對橋梁所處的環境條件、可能面臨的腐蝕因素加以充分考慮，引入防腐涂層設計等多樣化的技術手段，一方面提高鋼結構橋梁的使用壽命，另一方面將防腐涂層的保護作用最大限度內發揮出來，避免金屬表面與防腐涂層直接接觸，優化防腐設計的處理效果。在均勻布設涂層前，施工人員需預先全面地處理鋼結構的金屬表面，在適宜范圍內提高金屬表面的粗糙度，優化防腐涂層的應用效果，切實提高橋梁鋼結構在使用過程中的抗腐蝕性能。

4 結束語

完善鋼結構的完整性設計，不僅在于提高橋梁設計水平，也是確保橋梁工程被安全有效地投入到正式使用中的基礎條件。設計工作的組織與開展需緊密貼合橋梁的施工建設要求，綜合考慮其所處地理位置的實際情況，除了滿足傳統的結構強度，剛度的要求外，優化穩定性、疲勞和防腐的完整性設計是結構耐久的重要保證。