結構化設計應用于橋梁設計中的思考

吳 軍,潘偉華

（1.華設設計集團股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000;2 連云港市鐵路事業發展中心,江蘇 連云港 222000）

0 引言

在橋梁設計過程中應采用結構化設計法來重點完善設計方案和體系，明確具體設計工作的標準規范要求，完善結構化設計的方案和計劃[1-2]，通過有效的設計方式，提升橋梁結構設計的科學性和合理性，提高橋梁的安全性和耐久性。

1 工程概況

長滸大橋位于蘇州城北路（長滸大橋～婁江快速路段）改建工程設計起點，西側緊鄰長江路與G312交叉口（距離約230 m），東側距離虎林路與G312交叉口距離約270 m，跨越升級改造后的蘇南運河。現狀長滸大橋分左右兩幅橋，其中左幅橋修建于1991年，右幅橋修建于2000年。橋梁全長210 m，跨徑布置為（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，橋面全寬30.0 m，兩幅橋之間設變形縫。現狀橋面橫向布置為2.0 m（人行道及欄桿）+3.5 m（非機動車道）+8.75 m（機動車道）+1.5 m（中分帶）+8.75 m（機動車道）+3.5 m（非機動車道）+2.0 m（人行道及欄桿）=30.0 m。主橋上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，左幅引橋為T梁，右幅引橋為空心板梁橋，如圖1所示。

圖1 長滸大橋平面圖

2 橋梁工程設計中結構化設計應用的原則

2.1 科學性

橋梁設計工作中采用結構化設計方式，應遵循科學性的基本原則，合理進行橋梁結構的選擇，優化配置不同橋梁結構元素和要素，避免發生工程項目質量問題。同時，在橋梁設計期間應避免整體結構的設計出現問題，科學進行橋梁不同結構的設計分析和優化，最大限度降低故障問題或安全問題的發生率，為改善道路交通系統的發展現狀夯實基礎。與此同時，在橋梁工程設計的過程中采用結構化設計方式，還需組織專家小組和技術小組進行結構化設計成果的探討和研究，深入分析整體設計內容的科學性和合理性[3]。一旦發現設計內容不科學或不合理，應及時進行調整與處理，確保能夠提升橋梁工程結構化設計科學性，保障設計工作的水平。

2.2 持續性

近年來，我國交通運輸車流量不斷增加，橋梁建設工程受到廣泛重視，主要因為橋梁的設計和建設對交通系統的運行會產生直接影響。該情況下應按照橋梁對交通系統所產生的影響，遵循持續性設計的原則要點，考慮道路和橋梁結構的連續性，按照道路和橋梁結構的受力特點與受力面積，合理進行不同結構的設計，維護整體橋梁結構的安全性和穩定性，延長橋梁工程的應用壽命。

2.3 簡約性

橋梁設計的工作中遵循簡約性的基本原則，主要是對結構的設計內容進行簡化，通過簡約的結構穩定傳遞結構應力，及時進行外部負荷和內部應力的分散，提升整體結構的強度，減少工程施工材料的應用量和施工建設成本，提高項目經濟和社會效益。

3 橋梁工程設計中結構化設計應用的措施

3.1 斜拉索結構化設計

為確保橋梁工程結構的良好施工建設，在該工程項目中進行斜拉索的結構化設計，如表1所示。整體橋梁工程項目設計24對斜拉索，每對斜拉索的兩根拉索間距控制在一定范圍內，在中央分隔帶中平行設計扇形索面，其中邊跨拉索C6-C12和其他拉索在主梁上的錨固點間距、拉索在主塔上錨固點豎向間距，也必須要進行合理的設計。在斜拉索設計時主要設置雙層熱劑、皮衣護套和鋼絲拉索體系呈現半平行的狀態，所設計的護套采用密度很高的聚乙烯材料，具備一定的防風、防雨、防震性能，內側設計成為黑色，外部設計成為彩色。其中，鋼絲使用直徑為7 mm的鍍鋅強度較高的鋼絲，標準強度控制為1 670 MPa，模具部分設計成為和拉索規格互相對應的冷鑄構件，為與掛籃施工相互適應，在斜拉索兩側區設計張拉端錨具，安裝的過程中塔內進行張拉處理，主梁內設計錨固結構。在斜拉索結構化設計方面，單幅橋梁共設計48根，劃分成為不同的類型，將結構安全系數控制為2.5左右。

表1 斜拉索的結構化設計

3.2 主梁結構化設計

橋梁主梁結構化設計的過程中，主要將結構劃分成為不同的設計元素，如表2所示。主梁結構斷面設計的過程中，設置單箱雙室斜腹板箱梁類型的截面形式，中心線位置的梁體高度、頂板的寬度、底板的寬度、懸臂的長度應控制在合理范圍內，且箱梁頂板的位置需要設計單向橫坡，底板的部分處于水平狀態。且在設計的過程中，設置前支點掛籃懸澆的形式主要分成標準段和支架現澆段，其中的標準段設計方面，按照實際情況設置箱梁頂底板的厚度、中腹板和斜腹板的厚度、懸臂端和根部的厚度[4-5]。支架現澆設計的過程中，主要是在主塔根部和梁端的位置，增加頂板和底板局部厚度、主塔根部位置中腹板局部厚度。設計工作中應按照主梁結構特點和具體情況，提出主梁結構的規格標準和結構化設計要求。在完成主梁結構化設計后，校驗各類參數的合理性和科學性，切實保障主梁結構化設計水平和效果，避免因為主梁的結構化設計問題而導致整體設計效果降低，進一步提升橋梁的主梁結構化設計水平。

表2 主梁結構化設計參數

另外，在主梁的結構化設計過程中，將懸澆標準段的長度設計為7 m，橫梁的位置和斜拉索錨固點的位置之間相互對應。將橫梁的厚度設計為35 cm，邊跨壓重階段的橫梁和斜拉索相互之間的距離增加設計到3.5 m，橫梁的厚度增加設計到50 cm。過渡墩位置的主梁結構設計過程中，將端橫梁的厚度設置為2 m，主塔位置設計厚度為3 m的橫梁。整體的主梁結構設計C50等級的混凝土，合理進行縱向、橫向、豎向預應力體系的設計，對于橫向和縱向的預應力，設置直徑為15.2 mm的鋼絞線，構建群錨類型的錨固體系。在管道成孔方面則設置金屬波紋管材料，而豎向預應力和施工過程中的臨時預應力則設計直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋材料，并設置YGM扎絲錨固。

3.3 索塔結構化設計

索塔結構主要設計成為寶塔形狀，涉及上塔柱的部分、中塔柱的部分、下塔柱部分和下橫梁部分。設置C50等級的混凝土，整體高程為69.457 m，上部分高32.106 m，中間部分高23.984 m，下部分高13.457 m，中間和下部分塔柱橫橋，向著外側區域傾斜率為1∶2.5和1∶2.341，在橋面上索塔的高度是56 m。塔柱結構設計期間，斷面設計成為空心箱的形狀，上塔柱設計為單箱雙室的結構，尺寸從之前的4 m×3.8 m設計成為8.666 m×4.215 m，斜拉索前方部位塔壁厚度設計為0.9 m，側面部分厚度設計為0.55 m，中間腹板的厚度設置為0.75 m。中下塔柱設計成為單箱單室斷面，具有不對稱的特點，尺寸設計為2.93 m×4.507 m，中塔柱的壁厚度設計為0.55 m，下塔柱則設計成為實心斷面。

由于上塔柱的荷載會通過中塔柱和上塔柱之間相互連接的位置傳遞給兩個塔柱，這個位置的受力非常復雜，為避免因為受力復雜而出現問題，需要設計厚度為1.5 m的橫隔板，達到結構加強的目的。下塔柱和中塔柱之間銜接的位置也要設計3 m×3 m的橫梁，在塔頂的區域設計避雷針、航空障礙燈基礎設施，橋面以上2 m的位置為中塔柱設計進入孔。在設計的過程中上塔柱斜拉索錨固區域設置張拉錨塊結構，塔壁周圍設計U形的預應力鋼束，在一定程度上能夠起到抵抗斜拉索水平分力的作用，且U形預應力鋼束需要沿著塔的方向交錯性設置。設計直徑為15.2 mm的鋼絞線預應力材料，配置群錨錨固體系，在管道成孔方面設計塑料波紋管材料。為了提升橋梁通行和維護的便利性，在上塔柱的塔頂和中塔柱橋面的位置都設計能夠在索塔進出的通道，塔柱結構、橫梁結構和隔板結構設計相互連通的出入口，索塔的內部設計安全且非常簡易的爬梯，如圖2所示，應確保整體索塔結構的設計水平和效果，預防出現索塔設計的問題，提升結構化設計效果，確保整體結構設計工作質量的提升。

圖2 索塔結構通道的設計

3.4 結構受力和強度的設計

（1）結構受力的設計。按照橋梁荷載計算結構橫向受力，根據標準規范的要求，分析車輛荷載效應，結合公式進行計算：車輛荷載效應×0.7系數。同時，根據斜拉索在主梁中錨固點的距離計算橋梁車道板的橫向跨度，極限承載力的計算可以按照國家規范標準的公式進行驗算，在公式內，根據設計安全等級為二級進行橋梁結構重要系數的取值，也就是1.0，人群荷載效應組合系數取值0.8，確保整體橋梁結構設計的安全性，將相關數據值代入公式內，獲得計算的結果，明確每米所需要設計鋼筋的數量，以受力分析為基礎提升橋梁結構設計的可靠性。

（2）結構強度的設計。橋梁結構強度設計的工作中，應按照不同結構的特點，合理進行強度的計算和分析。例如：主梁承受最低彎矩的情況下，應按照公式計算參與受壓作用的寬度：6×板的厚度。根據規范要求，計算構件正截面抗壓承載力參數，合理進行主梁結構的設計，確保結構承載力和安全性符合要求。同時，在結構強度設計的工作中，按照結構化設計的特點全面驗證分析不同結構的強度情況，通過對結構參數的分析、檢驗和認證，提出能夠提升整體結構強度設計效果和水平的建議，改善整體結構設計過程中的參數指標，切實保障不同的結構設計效果和水平，進一步發揮結構強度設計措施的價值和作用，促使橋梁工程結構強度的提升，增強強度的基礎上保障橋梁工程項目的穩定性、安全性和可靠性，最終達到高效化、高標準設計的目的。

另外，還需重點進行橋梁截面最低尺寸的控制，為預防發生斜截面斜壓破壞的問題，應按照行業標準規范進行橋梁鋼筋混凝土等各類結構截面受彎構件的控制，使截面最低的尺寸能夠在合理范圍內，滿足支點截面的要求：

式中，Qt——橋梁截面強度的函數；R——混凝土的抗壓強度；h——截面高度；b——截面長度。通常情況下，在支點的位置剪力最高，等截面梁支點截面設計需要符合公式的要求，確保整體梁體結構的設計強度合格。但是在變截面梁設計的過程中，由于梁高會發生變化，因此，需要采用數學分析的方式進行研究，準確判斷是否和要求相符。假設Qt(y)（梁高跨長）是任何點位截面的最高剪力值，數據值沿著橋梁跨度長度y發生改變，又被稱作是最高的剪力函數，這個函數的曲線方程是橋梁剪力包絡圖，由于屬于變截面梁，梁體結構高度是跨度長度y的函數，因此屬于y的函數，如果，F(y)指的就是梁體結構的函數，那么變截面梁的截面最低尺寸就應按照公式進行控制：Qt（y）≤F(y)。

4 結語

橋梁工程項目設計的質量和水平直接影響整體橋梁工程結構的穩定性、安全性和可靠性，合理選擇橋梁設計的方式方法勢在必行。而結構化設計法的應用，可以通過對橋梁結構的合理設計，促使整體工程項目的良好建設和發展。因此，在橋梁設計的過程中，應重視結構化設計方式的運用，提升橋梁結構設計水平和質量。