結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 巖

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的必要性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)指的是將橋梁看作是一個模塊結(jié)構(gòu)考慮，充分掌握橋梁各部分特點(diǎn)，明確各部分結(jié)構(gòu)所需發(fā)揮的作用，完善設(shè)計(jì)方案，對橋梁各結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分整合，做出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳選擇，提高橋梁整體性能。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁工程實(shí)踐中的應(yīng)用，可以通過多種計(jì)算方法來確定最為科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，可全面掌握并解決各種影響橋梁建設(shè)質(zhì)量和水平的不良因素，進(jìn)而確保橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)滿足安全性、可靠性和適用性的要求。

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方案編制需要借鑒以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上選擇質(zhì)量合格的橋梁材料、規(guī)劃橋梁總體布局、確定橋梁結(jié)構(gòu)尺寸等，以構(gòu)成符合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，然后設(shè)計(jì)人員再經(jīng)過系統(tǒng)性、針對性的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，對設(shè)計(jì)方案中存在的不當(dāng)之處進(jìn)行調(diào)整。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)通通常由兩個環(huán)節(jié)組成，一是詳細(xì)設(shè)計(jì)，即利用結(jié)構(gòu)化程序?qū)蛄哼M(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)；二是概要設(shè)計(jì)，即利用設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)按照施工原則和要求，對整個橋梁系統(tǒng)進(jìn)行劃分，并對各個系統(tǒng)的功能、要求和特點(diǎn)等進(jìn)行分析。從上述分析可以看出，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的重要性不言而喻。

2 橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的原則

2.1 連續(xù)性

連續(xù)性是確保橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)順利實(shí)施的基礎(chǔ)原則之一，一方面只有在滿足這一原則的基礎(chǔ)上，才能增大橋梁的整體抗壓強(qiáng)度和有效受力面積，進(jìn)而緩解當(dāng)前橋梁建設(shè)中所面臨的橋梁負(fù)荷增加、施工難度增大等問題；另一方面有利于縮短橋梁在受力過程中的傳遞路徑，起到優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)、節(jié)省建筑材料等作用。

2.2 科學(xué)性

在橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，予以橋梁結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)配置、確定合理的橋梁截面及高度是十分重要的，有利于增強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)的科學(xué)性。同時(shí)，在對橋梁實(shí)施結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注重對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，通過減少橋梁結(jié)構(gòu)自身的重量來提升橋梁結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定。

2.3 簡約化

在橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，注重簡約化設(shè)計(jì)的目的在于提升橋梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、降低工程成本。在橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證設(shè)計(jì)路徑的簡化，確保橋梁結(jié)構(gòu)力能得到及時(shí)傳遞，從而達(dá)到分散外部荷載的目的。

3 獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

獨(dú)塔斜拉橋路面的車輛通行安全帶設(shè)置在車輛兩側(cè)，這種操作不僅會增加安全帶的設(shè)置工序，還會對主梁實(shí)際承載能力造成影響，故應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)施工手段對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體操作為：將安全帶和板式梁設(shè)置在同一區(qū)域內(nèi)；將主梁變成槽口向上的槽型梁；除了主梁與塔索相靠近的部分外，在其它結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置增加鋼筋，促使受力覆蓋全斷面，確保設(shè)計(jì)的合理性。

(2)索塔結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

索塔自身的穩(wěn)定性來源于其采用了矩形等截面直線塔；處于框架結(jié)構(gòu)附近的橋名牌可起到縮短索塔橫向長度的作用。

(3)斜拉索結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

①材料選擇。高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線是斜拉索生產(chǎn)加工中的常用材料，但由于鋼絞線的定制成本較高，且更換難度大，不適用于小斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。針對這一問題，可采用高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋進(jìn)行定制，這種鋼筋的優(yōu)點(diǎn)在于配件齊全、定制程序簡單、成本費(fèi)用低、施工操作簡便等；

②設(shè)計(jì)要點(diǎn)。若高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋在長期使用中出現(xiàn)了銹蝕情況， 因施工前涂抹了防銹劑，故不會因?yàn)殇P蝕到鋼筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)而造成應(yīng)力腐蝕問題。粗鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度僅為鋼絞線的1/2，故在設(shè)計(jì)中需將粗鋼筋斜拉索截面積增加一倍左右；高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋的使用，會使得主梁結(jié)點(diǎn)豎向變位隨著斜拉索剛度的增加而減少，這一現(xiàn)象可避免主梁彎矩過大，確保斜拉索設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性；

③布置方式。輻射形、扇形、平行和豎琴形是斜拉索布置的常見方式。比如以扇形的方式布置斜拉索，具體內(nèi)容為：將分別將兩根φ25高強(qiáng)精軋粗鋼筋和φ32粗鋼筋作為端斜拉索以及其余斜拉索，這按照斜拉索結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的要求，并經(jīng)過多次測算，確定4.5 m索距是最合理的主梁至斜拉索的間距，該索距適用于多種跨徑橋梁設(shè)計(jì)中。表1為主梁上不同跨徑斜拉索的錨固點(diǎn)間距分析情況。

表1 主梁上不同跨徑斜拉索的錨固點(diǎn)間距分析

由表1可以看出，拉索數(shù)量會隨著總跨度的增加而增加，變化規(guī)律為：每增加10 m，則需增加一根拉索；若該索距不滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，可對索距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免其穩(wěn)定性受到影響。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

通過對車道橫向受力和斜拉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)均滿足橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，并且還可以有一定的富余。鑒于斜拉橋主梁的受力狀態(tài)呈現(xiàn)不確定的特點(diǎn)，若改變斜拉索初始拉力或主梁標(biāo)高的話，則會導(dǎo)致主梁內(nèi)力發(fā)生變化，針對這一情況，要求設(shè)計(jì)人員在實(shí)施橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)增加承載力的儲備，以此來保障橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié) 語

總而言之，為了更好滿足橋梁設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠、耐久性標(biāo)準(zhǔn)等要求，積極采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方式，大量工程實(shí)踐也表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)已取得良好的設(shè)計(jì)效果，對促進(jìn)我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。本文所分析的獨(dú)塔斜拉索橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)也充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)，故可將該設(shè)計(jì)方式積極應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域中，以從根本上發(fā)揮其運(yùn)用價(jià)值。