試析橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計優(yōu)化策略

史梁

（黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

中國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，近年來取得了驕人的成績，南京三橋、蘇通大橋、昂船洲大橋的建造，表明在大跨徑橋梁上鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢越來越明顯。橋梁是為滿足交通功能的建筑物，現(xiàn)代橋梁鋼結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)鋼加上單元經(jīng)焊(栓)連接組成為復雜的受力系統(tǒng)，有明確的承載安全和服役耐久性要求。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體設(shè)計理念概述

鋼結(jié)構(gòu)的特點是質(zhì)量輕，強度高，并且具備其抗壓以及抗拉等相關(guān)優(yōu)點，對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，其外觀更為直觀，強度等級更高。在我國，鋼結(jié)構(gòu)橋梁應用十分廣泛。因為作為鋼結(jié)構(gòu)的施工而言，其施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要應用在：①城市立交橋段，尤其是交通要道處，如果采用混凝土橋，必然增加施工周期，對于現(xiàn)場交通不能較好地維護。②大跨徑海、江、河橋梁（長江大橋、杭州灣大橋等），因為大跨徑的要求下，只能考慮鋼結(jié)構(gòu)，因為如果采用混凝土結(jié)構(gòu)，根本滿足不了大跨徑要求。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計目標

我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為100年，與國際標準(BS5400，EURO CODE)基本一致。完整性設(shè)計的目標是確保結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的可靠與安全。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計由荷載、材料性能、結(jié)構(gòu)細節(jié)構(gòu)造、制造工藝、安裝方法、使用環(huán)境及維護方式等多種因素所確定。設(shè)計除對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件連接及構(gòu)造細節(jié)按常規(guī)考慮強度、剛度要求外，尚需對損傷與損傷容限、斷裂與抗斷裂作出評定。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)損傷及損傷容限

鋼結(jié)構(gòu)從材料加工過程到服役期不可避免的會在內(nèi)部和表面形成和發(fā)生微小缺陷，在一定外部因素(荷載、溫度、腐蝕等)作用下，這些缺陷不斷擴展與合并形成宏觀裂紋，導致材料和結(jié)構(gòu)力學性能劣化。對橋梁鋼結(jié)構(gòu)而言，完整性和損傷是相對應的，損傷程度將會對結(jié)構(gòu)的完整性帶來影響，損傷極限則是結(jié)構(gòu)的失效。而損傷容限是指鋼結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用周期內(nèi)抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導致破壞的能力。損傷容限概念的使用是承認鋼結(jié)構(gòu)在使用前存在有初始缺陷，但可通過結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計方法評判帶缺陷或損傷的鋼結(jié)構(gòu)在服役期限內(nèi)的安全性。

國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)因損傷導致局部破壞的實例近幾年時有發(fā)生，結(jié)構(gòu)損傷構(gòu)成了對橋梁安全與耐久最大的威脅。在引起設(shè)計者對焊接結(jié)構(gòu)損傷、損傷擴展以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效過程關(guān)注的同時，也引發(fā)了人們對如何保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體完整性的思考。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計策略

2.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的橋梁普遍比較輕而且強度非常高，然而，在小半徑以及多車道設(shè)計時，其橫向抗傾覆是當前研究的熱點內(nèi)容。早前的橋梁施工中，由于設(shè)計原因，導致在施工過程中或者橋梁使用過程中發(fā)生橋體傾覆。因為連續(xù)鋼梁的半徑比較小，所以相對而言，其跨度顯得較大，如果再加上橋面寬于鋼梁，這一必定顯得活載不是最優(yōu)，弄不好橫梁外側(cè)支座受力增大，而內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)不受力，這樣橫梁受力極其不均勻，發(fā)生梁體的傾覆。在設(shè)計過程中，通過合理的計算，來設(shè)計橫梁的偏心受力情況，這樣即可滿足橋梁的荷載要求，也能似的橋體均勻受力。在橫梁處采取灌砂措施，并在滿足規(guī)范的條件下，增加多車道時的橋梁整體穩(wěn)定度。

2.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計要點

橋焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計是保障橋梁整體穩(wěn)定性的重要因素，其焊接的接頭形式因受力的不同而各有差異，其接頭部位的應力作用導致了母材結(jié)構(gòu)以及受力性能的不同，同時，在焊接過程中不能100%消除應力，焊接應力通常導致焊接接頭的變形，造成焊接接頭形成大量缺陷，不能滿足橋梁整體性設(shè)計要求。所以在橋梁整體設(shè)計中，必須考慮焊接接頭的設(shè)計，在滿足相干規(guī)范的前提下，必須做到：①因地制宜地選擇形式，并通過焊接性檢測要求來獲取靜力和疲勞等級，來決定焊縫相關(guān)形式。②在焊接設(shè)計中，必須詳細設(shè)計其關(guān)鍵細節(jié)，達到焊接中受力均勻，盡可能降低應力。③在設(shè)計中必須考慮焊接檢測相關(guān)要求，必須以無損檢測等相關(guān)控制指標來檢測焊縫質(zhì)量。

2.3 加勁肋設(shè)置

加勁肋是在支座或有集中荷載處，為保證構(gòu)件局部穩(wěn)定并傳遞集中力所設(shè)置的條狀加強件。加勁肋的設(shè)計，通常很多人都認為這方面是可有可無的，實際上必須通過設(shè)計計算才能決定是否加勁肋。加勁肋與否，是有腹板的h0/δ的值來決定。如果確定需要加勁肋，則優(yōu)先考慮豎向加勁肋，并且其設(shè)置距離由腹板厚度以及相關(guān)剪應力來決定。當豎向加勁肋仍然不能滿足要求時，可設(shè)置水平加勁肋，水平加勁肋是豎向加勁肋的補充形式。

加勁肋的設(shè)置是因為原有構(gòu)件截面的不足而用來增強抵抗彎矩和剪力的，因為設(shè)置加勁肋可以縮小原構(gòu)件截面大小，從而有效的降低用鋼量，壓縮成本，所以在工程中，一般設(shè)置在原有構(gòu)件上起到增強抵抗彎矩和剪力的作用。

2.4 鋼箱梁橫梁設(shè)計

當橋梁主道設(shè)計過寬時，必須優(yōu)化車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁，在設(shè)計中，重點滿足其豎向計算要求，對于橫梁的跨徑，需要從支座間雙懸臂簡支梁的計算中得知，在支座處可采取豎向加勁肋相關(guān)措施，當豎向加勁肋不能滿足要求時，考慮橫向加勁肋，其計算措施與縱向計算措施相仿。

2.5 施工人孔的設(shè)置

橋梁的整體設(shè)計中，其不可忽視的一環(huán)是人孔的設(shè)置，通常情況下，人孔是為了方便施工，在橋梁箱梁頂板和腹板上開設(shè)。頂板施工人孔的具體位置可設(shè)置在1.5跨徑處，而腹板的施工人孔的具體位置必須設(shè)置在應力相對薄弱的地方，比如簡支梁，其腹板施工人孔可設(shè)置在跨中，而連續(xù)梁，必須精確計算剪力，選取剪力最小處。有時候人孔的設(shè)計不止一個，不能將所有人孔分布在相同斷面，采取錯開設(shè)置。當應力較大的地方必須加設(shè)施工人孔，必須采取加強措施。

2.6 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算是以邊孔采用單懸臂，中孔采用簡支掛梁作為結(jié)構(gòu)的計算模式。將橋梁縱向劃分為多個單元，并對每個單元截面進行編號，然后進行項目原始數(shù)據(jù)輸入。輸入的數(shù)據(jù)信息有：項目總體信息、單元特征信息、預應力鋼束信息、施工階段和使用階段信息。按全預應力構(gòu)件對全橋結(jié)構(gòu)安全性進行驗算，計算的內(nèi)容包括預應力、收縮徐變及活載計算。橋臺處滑動設(shè)支座，橋墩處設(shè)固定支座，碇梁與掛梁間存在主從約束，掛梁一端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)滑動支座。牛腿計算是對預先設(shè)計好的牛腿尺寸和配筋分4個步驟進行驗算：①牛腿的截面內(nèi)力。求出截面內(nèi)力后對各種危險截面進行強度校核；②豎截面驗算。按偏心受壓桿件驗算抗彎和抗剪強度或按受彎桿件驗算強度；③最弱斜截面驗算。求得最弱斜截面位置后，按偏心受拉構(gòu)件驗算此斜截面的強度；④45°斜截面的抗拉驗算。

3 結(jié)語

我國基礎(chǔ)建設(shè)的加快，帶動了橋梁技術(shù)的長足發(fā)展，在當前形勢下，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體應用也十分廣泛，主要是在設(shè)計過程中的優(yōu)化，才能確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。必須從整體性角度出發(fā)，全面分析橋梁受力情況，加強焊接形式的優(yōu)化設(shè)計，才能保障橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

[1]中華人民共和國鐵道行業(yè)標準.鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TB10002.2-2005).北京.中國鐵道出版社.2005.

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(第二版)[M].北京.人民交通出版社.2005.

[3]盧永成等.上海長江大橋主航道橋設(shè)計要點[J].世界橋梁.2009.（A01）.14-17.