橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

呂吉應(yīng)

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015)

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橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

呂吉應(yīng)

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015)

首先對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，在此基礎(chǔ)上以獨(dú)塔斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行論述。

橋梁；結(jié)構(gòu)化；優(yōu)化設(shè)計(jì)；斜拉橋

1 獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

(1)橋型布置靈活。獨(dú)塔斜拉橋的主梁可用變截面形式，滿足橋梁的受力要求；獨(dú)塔斜拉橋可配合T構(gòu)，無需付出更多建設(shè)成本便可達(dá)到擴(kuò)大跨徑的目的；獨(dú)塔斜拉橋的主塔布置形式靈活，既可滿足美觀性要求，又可實(shí)現(xiàn)合理受力。

(2)施工成本低。獨(dú)塔斜拉橋僅為一個(gè)橋塔，與多塔斜拉橋相比可降低施工成本。在獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的無索區(qū)，可促使斜拉索的用量大幅度減少，從而控制全橋造價(jià)。

(3)施工工藝簡(jiǎn)單。獨(dú)塔斜拉橋的施工復(fù)雜程度不高，可采取水平轉(zhuǎn)體施工，減少施工中的臨空和臨水作業(yè)，使得主梁施工更加簡(jiǎn)單，有利于提高施工進(jìn)度。在轉(zhuǎn)體施工過程中，能夠避免對(duì)橋位處通航造成影響。

(4)受力性能好。獨(dú)塔斜拉橋的活載撓度相對(duì)較小，一般在拉索區(qū)產(chǎn)生主梁的最大撓度，有利于橋梁結(jié)構(gòu)布置更加合理，避免產(chǎn)生拉彎區(qū)；獨(dú)塔斜拉橋在處于溫度梯度變化和收縮徐變的情況下，主梁的撓度相對(duì)較小，塔頂?shù)乃阶兾灰蚕鄬?duì)較小。

2 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)主梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。主梁的整體式鋼筋混凝土板長(zhǎng)度要與橋面長(zhǎng)度相等，且必須將安全帶設(shè)置在車道兩側(cè)。但是，由于安全帶設(shè)置較為繁瑣，既無利于主梁受力，又會(huì)給主梁承載帶來負(fù)面影響，所以必須對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。可將板式梁與安全帶合為一體，將主梁變成槽口朝上的槽型梁，促使受力覆蓋全斷面，達(dá)到設(shè)計(jì)的合理性。除了主梁與塔索部分相靠近的部分之外，其他部分的受壓較小，這種受力結(jié)構(gòu)存在一定不足，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)增加鋼筋，在權(quán)衡利弊之后，也可采取槽口朝上的主梁結(jié)構(gòu)。

(2)索塔的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。為便于索塔施工，滿足索塔穩(wěn)定性要求，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用矩形等截面直線塔。索塔與橋名牌之間的框架形態(tài)為“門”型，由于橋名牌位于框架結(jié)構(gòu)的一條邊上，所以可促使索塔橫向自由長(zhǎng)度縮短。

隨著橋梁跨度的增加，塔柱截面尺寸也隨之增大，跨度為40 m的塔柱截面尺寸為60 cm×80 cm，而跨度為80 cm的塔柱截面尺寸為80 cm×120 cm。

(3)斜拉索的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

①材料選擇。斜拉索需用高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線定制，由于鋼絞線斜拉索的定制費(fèi)用較高，并且更換難度較大，所以阻礙了小斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用。為解決這一問題，建議斜拉索采用高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋進(jìn)行定制，這種鋼筋是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋，直接配備了各種配件，如鋼墊板、螺帽、連接器等，減少了斜拉索定制的繁瑣工序。在設(shè)計(jì)時(shí)只需按照實(shí)際需求截短或接長(zhǎng)鋼筋即可，便于施工操作。

②設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)于氣候干燥的地區(qū)，要在鋼筋涂敷防銹，延長(zhǎng)使用年限。即便是高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋出現(xiàn)了銹蝕情況，也只會(huì)促使鋼筋斷面的減少，不會(huì)銹蝕到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠有效避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕問題。若在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，則可更換鋼筋，更換操作難度不高。與鋼絞線斜拉索的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相比，粗鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為930 MPa，僅為鋼絞線的1/2，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要增大一倍的粗鋼筋斜拉索截面積。采用粗鋼筋后，斜拉索剛度會(huì)隨之增大，主梁結(jié)點(diǎn)豎向變位減少，可避免出現(xiàn)主梁彎矩過大的情況。

③布置方式。斜拉索的布置方式具體包括輻射形、平行、扇形，下面以扇形為例對(duì)具體布置方式進(jìn)行分析。用兩根Φ25的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋作為端斜拉索，用兩根Φ32的粗鋼筋作為其余斜拉索。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，端斜拉索有利于減少索塔頂端水平變位，使其變位近乎沒有。同時(shí)，梁端段的構(gòu)件被壓彎，可提升主梁承載力。按照斜拉索的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)要求，科學(xué)確定主梁上斜拉索的間距，在反復(fù)多次測(cè)算的基礎(chǔ)上，得出4.5 m索距為合理索距，該索距可滿足斜拉索的承載力要求，適用于多種跨徑橋梁的設(shè)計(jì)。現(xiàn)對(duì)主梁上不同跨徑斜拉索的錨固點(diǎn)間距進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 斜拉索索距表

通過表1顯示，設(shè)計(jì)總跨度為40～80 m的斜拉索，均采用了4.5 m的索距；隨著總跨度的增加，拉索數(shù)量也隨之增加，即每增加10 m，則多加一根拉索，索距仍為4.5 m。若4.5 m索距無法正好滿足，則在索塔附近梁段調(diào)整索距，從而保證美觀性和穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)車道橫向受力計(jì)算?？筛鶕?jù)車輛的荷載情況對(duì)車道的橫向受力進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，可按車輛的荷載效應(yīng)乘以0.7系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。車道板的橫向跨度為斜拉索在主梁上錨固點(diǎn)之間的實(shí)際距離，其極限承載能力可以依據(jù)JTG D62-2012規(guī)范中4.1.6-1的公式進(jìn)行計(jì)算，在該公式中，橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)可以按照設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)進(jìn)行取值，即1.0，人群荷載效應(yīng)的組合系數(shù)也可取1.0，若是取0.8的話，則安全性更高一些。將有關(guān)數(shù)值帶入到公式當(dāng)中后，可以得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，即每米布設(shè)1012RFB335鋼筋，能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，并且還可以有一定的富余。

(2)斜拉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算。在獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主梁歸屬于偏心受壓構(gòu)件的范疇，在主梁承受最大彎矩時(shí)，若是不考慮其參與截面的受拉情況，則可按照J(rèn)TG D62-2012規(guī)范中第5.3.5條的計(jì)算規(guī)定對(duì)其正截面抗壓承載力進(jìn)行計(jì)算；若是主梁承受最小彎矩時(shí)，其參與受壓作用的寬度為6乘以板厚度，對(duì)此，可根據(jù)JTG D62-2012規(guī)范中5.3.6條的規(guī)定對(duì)構(gòu)件正截面抗壓承載力進(jìn)行計(jì)算。鑒于斜拉橋主梁的受力狀態(tài)具有不確定的特點(diǎn)，如斜拉索初始拉力的改變或是主梁標(biāo)高的調(diào)整等，均可能引起主梁內(nèi)里的變化，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)增加承載力的儲(chǔ)備，以此來確保結(jié)構(gòu)的安全性。

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2017-02-15

呂吉應(yīng)(1984-)，男，河南駐馬店人，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。

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1008-3383(2017)05-0117-02