道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的應(yīng)用研究

樂玥、張飛

（上饒市宏優(yōu)公路勘察設(shè)計院有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

橋梁作為道路的重要組成部分，要想使橋梁建設(shè)達到預(yù)期使用效果，并保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性，就必須在前期做好橋梁設(shè)計。在道路橋梁設(shè)計過程中，需要采用先進合理的設(shè)計思想來適應(yīng)當前道路橋梁建設(shè)與發(fā)展需要。

基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計思想就是一種先進可行的新型橋梁設(shè)計理念，對提高橋梁工程設(shè)計水平有著重要作用和意義，需要得到相關(guān)人員的高度重視。

1 基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計思路

橋梁是現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要組成部分之一，具有和房屋建筑完全不同的結(jié)構(gòu)，投入使用后不會像房屋建筑那樣以承受靜止狀態(tài)的荷載為主，而是以承受動荷載為主。當前在進行橋梁設(shè)計時主要采用以有限元分析為基礎(chǔ)的方法，這種方法又是將結(jié)構(gòu)化分析作為基礎(chǔ)的。

對橋梁結(jié)構(gòu)實施有限元分析的過程中，和較為普遍的結(jié)構(gòu)存在本質(zhì)上的差異，這是因為橋梁所受荷載實際上是一個持續(xù)變化的過程，對橋梁外加荷載進行計算時需要充分考慮分批加載因素。此外，在橋梁工程施工中，隨著時間不斷延長，橋梁所用混凝土材料還會發(fā)生徐變，橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)也會受到混凝土材料徐變因素的直接或間接影響。由于在采用有限元方法對橋梁進行設(shè)計分析的過程中往往按照施工順序完成，因此需要按照結(jié)構(gòu)化思維在充分考慮平面關(guān)系條件下結(jié)合具體的施工步驟。

采用結(jié)構(gòu)化的方法對橋梁進行設(shè)計時，通常可將傳統(tǒng)有限元方法初步分成以下三個部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理、計算公式與處理結(jié)果，實際上就是數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)后處理。橋梁工程計算方法相似，僅僅是在分析單元建立過程中需要重復(fù)考慮桿件存在的差異。基于此，按照結(jié)構(gòu)化方法對橋梁進行設(shè)計時，可具體分成以下三步：

第一步為數(shù)據(jù)預(yù)處理，拆分具體分析對象，確定主要構(gòu)件。通常對公路橋梁進行計算時，會將整個橋梁結(jié)構(gòu)簡化成若干單獨桿件，以此使三維問題變成平面問題。與此同時，還需要為不同類型的桿件賦予相應(yīng)的特性，如節(jié)點、截面尺寸、荷載與材料特性。在整個分析工作中，數(shù)據(jù)預(yù)處理是主要環(huán)節(jié)之一，需要在確保所有節(jié)點參數(shù)均準確無誤的基礎(chǔ)上才能保證分析成果的準確性。

第二步為計算分析，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理完成提取的各類數(shù)據(jù)都可作為對單獨桿件進行有限元分析的重要基礎(chǔ)。橋梁工程建設(shè)中，需將不同階段橋梁結(jié)構(gòu)自身重量、風(fēng)荷載與其他環(huán)境因素都進行準確記錄；橋梁投入正常使用后，需要對橋梁受到各類荷載持續(xù)作用后各單獨桿件實際受力狀態(tài)進行計算，進而分析確定橋梁結(jié)構(gòu)所處受力狀態(tài)。對此部分進行計算時，需要采用專門的計算機軟件進行。以結(jié)構(gòu)化分析為基礎(chǔ)的橋梁工程設(shè)計必須將計算機作為主要輔助工具。

第三步為后處理，在完成前兩步工作后，還要對結(jié)構(gòu)內(nèi)力與不同外荷載之間的關(guān)系進行深入分析與明確，通過計算確定各類工況條件下橋梁結(jié)構(gòu)最不利部位。在分析的基礎(chǔ)上通過荷載組合，確定橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載組合條件下的最大承載力。

通過以上分析可知，通過以結(jié)構(gòu)化方法為基礎(chǔ)的分析能十分準確地對橋梁工程在不同階段各類單元體的實際內(nèi)力水平和位移情況進行勘測，進而良好反映出橋梁結(jié)構(gòu)受力特征。

2 工程概況

某橋梁最大墩高為74.97m，在超過35m 的高墩中主要以雙肢矩形墩及空心墩為主，其中雙肢矩形墩墩柱斷面尺寸為2.8m×2.4m 及2.4m×2.2m 兩種形式，雙肢矩形墩蓋梁尺寸有15.8m×2.6m×2.2m 及15.8m×3.0m×2.2m 兩種形式；空心墩墩柱斷面尺寸為8.0m×3.5m，蓋梁尺寸15.8m×3.7m×3.0m。蓋梁、柱系梁支架使用材料如表1所示。

表1 支架使用材料參數(shù)一覽表

3 基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計計算

3.1 基本說明

該橋梁墩柱蓋梁及柱系梁形式較多，其中超過40m 高墩墩柱形式主要有雙肢矩形墩及空心薄壁墩。現(xiàn)以荷載最大，施工最不利情況考慮設(shè)計以下兩種支架形式，并對這兩種形式的支架進行受力驗算。

由于過渡墩空心薄壁墩墩柱高度較梁板橋主墩高度小，同時懸臂端長度相對較小，因此計算選擇不利的梁板橋空心薄壁墩蓋梁進行支架驗算。

梁板橋主墩空心薄壁墩蓋梁有15.8m×3.2m×3.0m 及15.8m×3.7m×3.0m 兩種形式，此次計算按照最不利計算，選擇最大蓋梁尺寸進行計算（15.8m×3.7m×3.0m）。

采用在墩柱內(nèi)預(yù)埋20mm 厚鋼板及

φ

18 鋼筋焊接而成的預(yù)埋件；用2 排雙［32a 槽鋼鋼箱焊接在墩柱上作牛腿，牛腿上設(shè)9 根工20 分配梁；兩側(cè)牛腿根部雙［32a 槽鋼鋼箱上焊接兩排I25a，上布設(shè)2 根40a 工字鋼作為施工作業(yè)平臺。混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值如表2所示，混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值如表3所示。

表2 混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值

表3 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值

3.2 空心薄壁墩蓋梁支架荷載參數(shù)

3.2.1 鋼筋混凝土重：最厚處為3.0m 高，相應(yīng)的分配梁荷載為0.5×3.0×3.7×26=144.3kN/m。

3.2.2 模板重：按0.15t/m計算，g 取10kN/t，最厚處模板重相應(yīng)的分配梁荷載為[(2×3.0+3.7)×0.5]×0.15×10/3.7=1.96kN/m。

3.2.3 人工、機具荷載：按2.5kPa 取值，每根分配梁荷載為2.5×0.5=1.25kN/m。

3.2.4 振搗荷載：按2.0kPa 取值，每根分配梁荷載為2.0×0.5=1.0kN/m；分配梁工字鋼工22a 采用從空心薄壁墩向外依次進行編號，1、2、3、4……11。空心薄壁墩蓋梁荷載如表4所示。

表4 空心薄壁墩蓋梁荷載

表4（續(xù)）

3.3 空心薄壁墩內(nèi)模牛腿荷載參數(shù)

3.3.1 模板重：按0.15t/m計算，g 取10kN/t，空心薄壁墩澆筑單倉4.5m 高，內(nèi)模總荷載為[(7+2.7)×2]×0.15×10=29.1kN；每個牛腿荷載為2.91kN。

3.3.2 人工、機具荷載：按3.0kPa 取值，則人工、機具荷載為3.0×7×2.7=56.7kN；每個牛腿荷載為5.67kN。

3.4 空心薄壁墩蓋梁支架荷載計算

3.4.1 支架結(jié)構(gòu)計算，使用Midas Civil2015 建模計算。

3.4.2 縱梁工63a 工字鋼計算：

（1）縱梁工63a 工字鋼縱梁工63a 工字鋼梁，最大變形下?lián)现禐椋?5.40mm＜[y]=2200mm/400=5.5mm。

（2）縱梁工63a 工字鋼梁最大彎拉應(yīng)力為：154.59MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I63a 梁最大剪應(yīng)力為：16.74MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.3 I22a 工字鋼分配梁計算：

（1）最大變形下?lián)现禐椋?5.17mm＜[y]=3600mm/400=9mm。

（2）I22a 工字鋼最大彎拉應(yīng)力為：197.27MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I22a 工字鋼最大剪應(yīng)力為：52.78MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.4 鋼棒（

φ

140mm）計算：（1）

φ

140 鋼棒支撐梁最大彎拉應(yīng)力為：251.02MPa＜[σ]=600MPa。（2）鋼棒（

φ

140mm）最大剪應(yīng)力為32.02MPa＜[τ]=355MPa。

（3）鋼棒下?lián)现禐?0.49mm，不作計算。

3.4.5 牛腿支架

（1）牛腿最大變形下?lián)现禐椋?6.4mm＜[y]=1800mm/250=7.2mm。

（2）牛腿最大彎拉應(yīng)力為：185.3MPa＜[σ]=215MPa。

（3）牛腿最大剪應(yīng)力為：62.0MPa＜[τ] =125MPa。

3.4.6 支架焊縫計算

根據(jù)支架反力圖可知各牛腿最大受反力，水平梁水平力為38.3kN，豎直力為269.2kN；斜撐水平力為-359.8kN，豎直力為400.9kN。由于牛腿水平梁反力比斜撐反力小，同時斜撐焊縫長度比水平梁大，所以只需要對牛腿斜撐梁實施焊縫驗算。

3.5 空心薄壁墩內(nèi)模牛腿計算

使用Midas Civil2015 建模計算：

其一，32 精軋螺紋鋼最大變形下?lián)现禐椋?.1mm，不作驗算。

其二，32 精軋螺紋鋼最大彎拉應(yīng)力為：33.7MPa＜[σ]=215MPa。

其三，32 精軋螺紋鋼最大剪應(yīng)力為：5.75MPa＜[τ]=125MPa。

其四，L50 角鋼鋼箱最大變形下?lián)现禐椋?.1mm，不作驗算。

其五，L50 角鋼鋼箱最大彎拉應(yīng)力為：20.0MPa＜[σ]=215MPa。

其六，L50 角鋼鋼箱最大剪應(yīng)力為：0.42MPa＜[τ]=125MPa。

其七，A3 鋼板最大變形下?lián)现禐椋?.002mm，不作驗算。

其八，A3 鋼板最大彎拉應(yīng)力為：0.9MPa＜[σ]=215MPa。

經(jīng)Madis Civil2015 軟件分析計算，空心薄壁墩內(nèi)模牛腿、空心薄壁墩3.7m×3.0m 蓋梁支架的各桿件均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，可以用于施工。

4 結(jié)語

綜上所述，基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計方法存在本質(zhì)上的差別，后者主要考慮的是橋梁安全性與設(shè)計方案的可行性，而基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計往往考慮得更為全面，可對不同類型的橋梁給出相應(yīng)的方案，以此在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性與可靠性的同時，提高經(jīng)濟性。可見，基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計是當前我國橋梁工程建設(shè)與發(fā)展的必然選擇之一，伴隨基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計水平日益提高，將給出更多更合理的設(shè)計方案。以上對基于結(jié)構(gòu)化方法的橋梁設(shè)計進行了初步分析與總結(jié)，旨在為實際橋梁設(shè)計計算提供技術(shù)參考，保證橋梁設(shè)計合理性與可行性。