淺論橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計策略及注意事項(xiàng)

黃嘉偉 龍 華

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，550000）

淺論橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計策略及注意事項(xiàng)

黃嘉偉 龍 華

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，550000）

鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)，抗拉、抗壓性能強(qiáng)等優(yōu)勢，因而在我國橋梁建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛，鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體性能的好壞，與其整體設(shè)計密切相關(guān)。以下本文就對橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計展開探討。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題；措施

引言

橋梁是為滿足交通功能的建筑物，有明確的承載安全和服役耐久性要求。橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要符合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的特性，并結(jié)合橋梁建設(shè)所處的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。所以，橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計成為了橋梁建設(shè)的重點(diǎn)工作，必須給予充分重視。

1.橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的基本原則

1.1 在選取橋梁鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，盡量選取疲勞強(qiáng)度等級較高的細(xì)節(jié)構(gòu)造或采取提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度等措施。

1.2 在橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞計算時應(yīng)考慮構(gòu)造的可更換性，同時照顧施工、營運(yùn)、維修、養(yǎng)護(hù)等橋梁壽命期內(nèi)的各種因素，對構(gòu)造進(jìn)行分類，在進(jìn)行疲勞計算時要采用不同的保證率；對于重要但無法更換的構(gòu)件，取其中最高的保證率，對于可以更換的構(gòu)造按更換和維修費(fèi)用高低分別取不同的保證率，費(fèi)用較高的保證率就高，反之則較低，但最低保證率不得低于97%。

1.3 在低溫地區(qū)建造鋼橋或鋼筋混凝土疊合橋梁，必須考慮冷脆性和動態(tài)負(fù)載耦合作用的影響，材料的選擇要有比較高的韌性，要提高材料斷裂韌性的水平。應(yīng)明確結(jié)構(gòu)工作溫度的最底限，設(shè)計時要將連接部位的承載力比其相連的桿件承載力高20～50%。在設(shè)計構(gòu)件的斷面時，在滿足應(yīng)力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，盡量使用相對較薄的斷面。

1.4 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，當(dāng)結(jié)構(gòu)不能避免應(yīng)力集中和焊接缺陷時，或由于結(jié)構(gòu)形狀限制而不能進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)，或結(jié)構(gòu)中小于臨界尺寸的缺陷有被漏檢的可能時，選用的材料和焊條必須韌性要高。

1.5 在進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，避免焊縫集中和重疊交叉，盡量減少焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量使由于缺陷所引起的應(yīng)力集中減小到最低限度，如不采用尖銳角，盡量用較大半徑的圓弧代替，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度連貫性。除特殊情況外，不得使用間斷焊。焊縫端盡量設(shè)置在應(yīng)力較低處，對重要構(gòu)件焊縫位置應(yīng)打磨平順，保證應(yīng)力流線平順通過。

2.橋梁中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

2.1 設(shè)計方面

對任何一個工程來說，核心部分是設(shè)計，其優(yōu)劣在很大程度上影響著工程的造價、質(zhì)量、施工難度以及工期。我國雖然有一些優(yōu)秀的設(shè)計，但大多都存在一定的設(shè)計問題，設(shè)計上的不合理不僅給經(jīng)濟(jì)帶來損失使得投資加大，還給橋梁工程的質(zhì)量埋下了安全隱患，嚴(yán)重阻礙了我國橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步。尤其是橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，基本上遵循相同的模式，套用現(xiàn)成的設(shè)計，沒有創(chuàng)新思維，也很少采用一些新材料或新結(jié)構(gòu)，不能根據(jù)實(shí)際地域情況、周遭環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。加之在設(shè)計的過程中，沒有充分計算鋼結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，往往為了追求穩(wěn)固的效果，而隨意增大強(qiáng)度系數(shù)，造成不必要的材料和物資的浪費(fèi)。另外在參數(shù)計算中對實(shí)際使用情況考慮的不夠全面，使橋梁在使用過程中出現(xiàn)失穩(wěn)以及應(yīng)力屈服的現(xiàn)象。這些都是鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的常見問題。

2.2 質(zhì)量

橋梁鋼結(jié)構(gòu)在選材方面一定要注意質(zhì)量問題，因?yàn)獒槍τ跇蛄簛碚f，受力的主體是鋼筋和混凝土，所以影響橋梁使用性能的決定性因素就是鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在設(shè)計時要嚴(yán)格遵守國家強(qiáng)制規(guī)范設(shè)計，不得隨意降低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，另外在制作鋼結(jié)構(gòu)時要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，嚴(yán)格執(zhí)行每一道工序以保證橋梁的工程質(zhì)量，避免出現(xiàn)安全事故。

2.3 銹蝕現(xiàn)象

鋼材的主要成分是鐵，所以對于鋼材而言不可避免的就會發(fā)生自然銹蝕現(xiàn)象，這也是造成橋梁設(shè)計危害的一個因素。如果鋼結(jié)構(gòu)銹蝕到一定程度就會嚴(yán)重危及橋梁安全和使用壽命。銹蝕會使結(jié)構(gòu)本身的受力能力降低，使橋梁在行車荷載的作用下，整體受力不穩(wěn)定，部分銹蝕嚴(yán)重的位置出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會引發(fā)交通事故，后果不堪設(shè)想。

2.4 焊接工藝

焊接質(zhì)量對工藝方法的依賴性較強(qiáng)，在影響工序質(zhì)量的各因素中占有更重要的地位。其影響主要來自兩個方面：一方面是工藝制訂的合理性；另一方面是執(zhí)行工藝的嚴(yán)肅性。鋼結(jié)構(gòu)主要是靠焊接工藝結(jié)合在一起的，焊接過程如嚴(yán)格不按合理的工藝執(zhí)行就會產(chǎn)生焊接缺陷，焊接缺陷不僅給生產(chǎn)帶來了許多困難，而且可能帶來災(zāi)難性的事故。據(jù)統(tǒng)計很多鋼結(jié)構(gòu)事故中，絕大多數(shù)是由焊接缺陷而引起的。這種焊接缺欠比較容易出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)焊接的細(xì)節(jié)上，這些焊接細(xì)節(jié)問題都會影響鋼結(jié)構(gòu)整體受力的穩(wěn)定性，不加以防范，就會埋下安全隱患。

2.5 不良細(xì)節(jié)構(gòu)造

不良的構(gòu)造細(xì)節(jié)會使幾何應(yīng)力集中，這在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中是最容易被忽視的地方，也是比較容易引發(fā)事故的原因之一。橋梁鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)榧?xì)節(jié)設(shè)計不良致使橋梁在使用過程中，幾何應(yīng)力集中疊加，在可變荷載的作用下，這些細(xì)小的損傷不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞應(yīng)力的擴(kuò)大，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。橋梁是一個整體結(jié)構(gòu)，一些不起眼的細(xì)節(jié)可能就會使整個橋梁的受力系統(tǒng)遭到破壞，如果某個細(xì)小的構(gòu)造出現(xiàn)應(yīng)力集中或者應(yīng)力疲勞，就容易出現(xiàn)變形，使鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力屈服。

3.橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計策略

3.1 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(qiáng)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。早前的橋梁施工中，由于設(shè)計原因，導(dǎo)致在施工過程中或者橋梁使用過程中發(fā)生橋體傾覆。因?yàn)檫B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。

3.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計要點(diǎn)。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(yīng)力作用導(dǎo)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(yīng)力，焊接應(yīng)力通常導(dǎo)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：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；在焊接設(shè)計中，必須詳細(xì)設(shè)計其關(guān)鍵細(xì)節(jié)，達(dá)到焊接中受力均勻，盡可能降低應(yīng)力；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(biāo)來檢測焊縫質(zhì)量。

3.3 鋼箱梁橫梁設(shè)計。當(dāng)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(diǎn)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(dāng)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。

3.4 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(jìn)行編號，然后進(jìn)行項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)輸入。輸入的數(shù)據(jù)信息有：項(xiàng)目總體信息、單元特征信息、預(yù)應(yīng)力鋼束信息、施工階段和使用階段信息。按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件對全橋結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算，計算的內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)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。

4.結(jié)束語

綜上所述，橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要講究一定的原則，采取一定的設(shè)計策略。對于設(shè)計中存在的重點(diǎn)問題，應(yīng)該給予重點(diǎn)關(guān)注。最后，要從具備設(shè)計的整體意識，從整體上提高設(shè)計質(zhì)量。必須從整體性角度出發(fā)，全面分析橋梁受力情況，加強(qiáng)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].王偉光.探析橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計策略[J].科學(xué)與財富，2011(08)

[2].杜紅艷.現(xiàn)代橋梁設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].交通世界，2012(16)

TU7

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1007-6344（2015）09-0133-01