淺論橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)

摘要：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家加快了公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)步伐，鋼結(jié)構(gòu)橋梁越來越多得出現(xiàn)在工程建設(shè)中。但是近幾年國內(nèi)外發(fā)生的多起橋梁鋼結(jié)構(gòu)破壞事故引起設(shè)計(jì)者對焊接結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)注，同時也引發(fā)了對如何保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性的思考。本文通過分析鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的理念以及橋梁鋼結(jié)構(gòu)損壞的主要表現(xiàn)，探討研究了橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的方法。

前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家加快了鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程的建設(shè)步伐，鋼結(jié)構(gòu)不僅運(yùn)用在橋梁工程中，在其它一些建設(shè)工程中也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增加，鋼結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量對于工程安全也就顯得尤為重要。在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)不僅是橋梁美觀的保證，同時也是保障橋梁質(zhì)量的關(guān)鍵。大部分橋梁設(shè)計(jì)人員注重對鋼結(jié)構(gòu)中焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的研究，卻忽略了對鋼結(jié)構(gòu)整體性的思考與研究。近年來，國內(nèi)外發(fā)生的多起橋梁鋼結(jié)構(gòu)破壞事件，也引發(fā)了橋梁設(shè)計(jì)者對鋼結(jié)構(gòu)整體性的進(jìn)一步研究。

1.鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)理念

橋梁作為滿足交通功能的重要建筑物，在現(xiàn)代的交通建設(shè)具有重要的連接作用?，F(xiàn)代橋梁的鋼結(jié)構(gòu)主要是由結(jié)構(gòu)鋼單位經(jīng)過焊接形成完整的承重建構(gòu)，其受力系統(tǒng)復(fù)雜，要求的安全系數(shù)高，有明確的服役期限與耐久性要求。

橋梁設(shè)計(jì)者需要根據(jù)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及耐久性要求的橋梁，但在橋梁的實(shí)際使用中，鋼結(jié)構(gòu)仍會因?yàn)橄忍斓脑O(shè)計(jì)缺陷或是各類事故而出現(xiàn)損壞。產(chǎn)生損壞的原因眾多，一些橋梁損壞均是由于鋼結(jié)構(gòu)局部破壞造成的，在引起設(shè)計(jì)者對于局部焊接結(jié)構(gòu)損傷、損傷擴(kuò)展以及結(jié)構(gòu)系數(shù)失效過程關(guān)注的同時，也引發(fā)了對于如何保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的思考。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)一方面應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求，另一方面又要對關(guān)聯(lián)耐久的損傷和斷裂進(jìn)行相應(yīng)的研究，即要同時從兩方面考慮并能保證鋼結(jié)構(gòu)的使用要求，具有系統(tǒng)性、整體性以及綜合性的特點(diǎn)。完整性設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是確保結(jié)構(gòu)在年限內(nèi)可靠與安全地使用。而對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)而言，主要應(yīng)考慮荷載、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造、材料性能、制造工藝、安裝方法、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及使用環(huán)境等多方面的影響因素，完整性設(shè)計(jì)不僅對于結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等有嚴(yán)格的要求之外，還需要對損傷及損傷容限、斷裂及抗斷裂做出具體的評定。

2.橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷的主要表現(xiàn)

隨著焊接技術(shù)以及高強(qiáng)度材料在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的廣泛使用，焊接工藝的缺陷以及材料缺陷逐漸成為了橋梁設(shè)計(jì)者關(guān)注的焦點(diǎn)。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的損傷在材料、工藝以及使用過程中均有發(fā)生，具體的損傷表現(xiàn)有以下幾類：

2.1材料的損傷主要是由于原材料在冶煉或軋制過程中帶來的缺陷，如非金屬混雜物等。當(dāng)有缺陷的材料參與焊接熱過程時，就極易出現(xiàn)層狀撕裂等問題。

2.2在焊接過程中由于金屬結(jié)晶而使熱影響區(qū)的材料的力學(xué)性能劣化，材料的強(qiáng)度增強(qiáng)而韌性降低。設(shè)計(jì)者應(yīng)注意焊縫密集或焊縫尺寸偏大對材料性能的不良影響。

2.3由于焊接工藝缺陷兒出現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、咬邊等焊接缺欠。鋼結(jié)構(gòu)中的短焊縫由于缺欠較多，常會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋。

2.4橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷最多的區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的幾何應(yīng)力集中區(qū)，統(tǒng)計(jì)表明，橋梁鋼結(jié)構(gòu)因細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不良而出現(xiàn)焊接裂紋的情況占出現(xiàn)焊接裂紋總數(shù)的46%，因此細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是控制鋼結(jié)構(gòu)損傷的重點(diǎn)。

2.5橋梁在服役過程中往往會受到自然環(huán)境因素的不斷影響，加之幾何應(yīng)力的集中疊加使得鋼結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)一步擴(kuò)展，嚴(yán)重威脅到橋梁的安全使用。

3.橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)方案

3.1橫向抗傾覆的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的橋梁通常情況下都具有重量輕強(qiáng)度大的特點(diǎn)，對于一些小半徑及多車道的鋼結(jié)構(gòu)橋梁而言，其橫向抗傾覆的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)則成為了設(shè)計(jì)師研究的重點(diǎn)。傾斜的原因是由于連續(xù)橋梁的半徑較小從而使橫梁兩側(cè)受力不均勻，這樣就極有可能出現(xiàn)橋體的傾斜。因此，橋梁設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算橫梁的受力情況，不僅要保證橋梁的正常荷載，還應(yīng)保證橋體受力均勻。

3.2焊接結(jié)構(gòu)上的完整性設(shè)計(jì)

橋梁焊接結(jié)構(gòu)的完整設(shè)計(jì)是保證橋梁穩(wěn)定性、完整性及安全性的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際的焊接過程中，應(yīng)根據(jù)不同部位的焊接要求及鋼結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。焊接結(jié)構(gòu)中接頭部位的應(yīng)力作用將會影響到鋼結(jié)構(gòu)的受力性能，同時接頭受到應(yīng)力作用會產(chǎn)生形變，并會出現(xiàn)大量的缺陷而影響到橋梁的完整性設(shè)計(jì)。

因此在整個焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)中應(yīng)著重關(guān)注各個接頭的焊接情況。在焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)中，應(yīng)有針對性得選擇合適的焊接形式，關(guān)注焊接的關(guān)鍵細(xì)節(jié)部位，并嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接質(zhì)量檢測。

3.3加勁肋部位的完整性設(shè)置

加勁肋是橋梁集中符合的部位，處于橋體的底座位置，加勁肋良好的穩(wěn)定性是保證橋梁正常使用的基礎(chǔ)之一。

為保證構(gòu)件的穩(wěn)定性，并作為集中力去傳送，常常會在加勁肋部位設(shè)置相關(guān)的加強(qiáng)部件。加勁肋的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮計(jì)算結(jié)果，如果原構(gòu)件的截面積明顯不足，就可以通過加勁肋的設(shè)置來增強(qiáng)抵抗彎矩力及剪切力的能力，并降低用鋼量，減少建設(shè)成本。