橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

文 / 中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司 胡海波

引言

橋梁工程建設(shè)，其性能質(zhì)量影響著運(yùn)行效果，為了使交通建設(shè)水平得到提升，應(yīng)對(duì)橋梁工程建設(shè)進(jìn)行不斷優(yōu)化。在橋梁施工中鋼結(jié)構(gòu)作為主體，其性能有著直接的影響，應(yīng)對(duì)其完整性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其滿足使用的需求。當(dāng)前一些橋梁工程建設(shè)由于鋼結(jié)構(gòu)不合理而產(chǎn)生了較多的問(wèn)題，難以保證其安全性。因此，應(yīng)對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合其完整性要求開展設(shè)計(jì)工作，采取有效措施加強(qiáng)設(shè)計(jì)的效果。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的重要性

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的是單元筋焊接方式，該方式可使橋梁使用的時(shí)間延長(zhǎng)，并且使其承載能力加強(qiáng)。在設(shè)計(jì)中需要盡量選擇適合的方式，使橋梁結(jié)構(gòu)的性能得到提升，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性加強(qiáng)。然而該方式在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些問(wèn)題，由于運(yùn)用該方式設(shè)計(jì)的橋梁無(wú)法滿足安全及耐久的需求，雖然在施工中使用的焊接技術(shù)應(yīng)用水平已經(jīng)得到了提升，但是問(wèn)題主要產(chǎn)生在橋梁比較隱蔽的位置中這些位置不容易被修補(bǔ)好，同時(shí)在長(zhǎng)年沒(méi)有進(jìn)行維修的情況下會(huì)使問(wèn)題加劇，無(wú)法保證其使用的壽命。因此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行分析，使橋梁可能產(chǎn)生損壞的位置得到合理評(píng)估，使橋梁結(jié)構(gòu)的剛度顯著加強(qiáng)，并且使橋梁結(jié)構(gòu)的承受傷害能力得到提升，進(jìn)而使橋梁建設(shè)的需求得到滿足，發(fā)揮出橋梁工程的優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)現(xiàn)代橋梁工程的使用現(xiàn)狀

橋梁交通荷載大

在當(dāng)前的交通快速發(fā)展下，汽車使用量大大提升，人們的出行方式也呈現(xiàn)出了多樣的特點(diǎn)，橋梁在交通工程體系中作為重要的設(shè)施，面臨著交通量提升的情況，對(duì)其自身的性能提出了更高的要求。同時(shí)，在交通出行中存在著一定的問(wèn)題，比如交通擁堵等，為了使問(wèn)題得到改善，城市高架橋梁及立交橋梁的建設(shè)增加，這使交通的建設(shè)更加完善有效。但是在橋梁荷載增大的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了問(wèn)題，為了使設(shè)計(jì)發(fā)揮出有效的作用，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化。

橋梁超載現(xiàn)象嚴(yán)重

在目前的橋梁工程中部分橋梁建設(shè)時(shí)間比較，橋梁建設(shè)技術(shù)水平不高，在環(huán)境等因素的影響下，其荷載能力有限，可能會(huì)產(chǎn)生較多的問(wèn)題。在交通出行需求提高的趨勢(shì)下，早期建設(shè)的橋梁工程產(chǎn)生的問(wèn)題也增加。在荷載增加的條件下，超載問(wèn)題比較顯著，無(wú)法保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，無(wú)法發(fā)揮橋梁的功能。因此，需要對(duì)這種情況產(chǎn)生重視。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷中的主要問(wèn)題

材料破損

在橋梁工程建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較多，在施工的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)損壞也比較常見，由于材料會(huì)受到多種因素的影響，比如人為損壞或者自身材料質(zhì)量不佳等，這些問(wèn)題會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工產(chǎn)生影響，無(wú)法保證其使用效果。在連接處理鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，當(dāng)焊接技術(shù)使用不當(dāng)?shù)臅r(shí)候，會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生較大的影響，比如層狀斷裂等。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)施工材料質(zhì)量有效控制，并且合理選擇施工焊接技術(shù)，使鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量得到保障。

焊接頭受損

橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題主要在焊接頭部位，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接處理的時(shí)候，多次焊接會(huì)產(chǎn)生金屬結(jié)晶，應(yīng)在焊接接頭位置提升強(qiáng)度，使鋼結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到要求。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員需要考慮到影響鋼結(jié)構(gòu)性能的因素，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)此進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)中存在著缺陷的時(shí)候，長(zhǎng)期的使用會(huì)使質(zhì)量問(wèn)題更加顯著，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的使用造成了威脅。在橋梁結(jié)構(gòu)承載力變大的情況下，橋梁焊接頭損傷問(wèn)題會(huì)加快，進(jìn)而使鋼結(jié)構(gòu)性能受到影響。

橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)方法

橋梁鋼結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆設(shè)計(jì)

由于鋼橋自重較輕的特點(diǎn)，在進(jìn)行橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)使其具有較強(qiáng)的抗傾覆性能。最新的橋梁規(guī)范中對(duì)抗傾覆系數(shù)有了明確的要求，要求其使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效應(yīng)設(shè)計(jì)值與時(shí)上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)效應(yīng)設(shè)計(jì)值的比值大于等于2.5。具體公式為：

此公式對(duì)與橋梁的抗傾覆計(jì)算意義重大，是我國(guó)規(guī)范第一次對(duì)橋梁抗傾覆的計(jì)算提出明確的標(biāo)準(zhǔn)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)橫向抗傾覆設(shè)計(jì)要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，以避免橋梁在運(yùn)行中由于過(guò)大的傾覆外力，使橋梁失去穩(wěn)定，可有效防止結(jié)構(gòu)傾覆問(wèn)題的產(chǎn)生。一般在設(shè)計(jì)中為保持橋梁的穩(wěn)定性，可在橫梁的位置中使用混凝土或鋼砂等填筑的處理工藝，增加橋梁支點(diǎn)處的抗傾覆能力，使橋梁的受力更加均衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。也可增加橫向支座的間距，使其穩(wěn)定性顯著加強(qiáng)。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性，應(yīng)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制，在施工過(guò)程中焊接結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)其出現(xiàn)了損傷的時(shí)候，整體材料及工藝中便都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在進(jìn)行焊接施工的時(shí)候，需要對(duì)材料以及工藝等進(jìn)行全面優(yōu)化，避免在焊接中產(chǎn)生損壞的問(wèn)題。為了加強(qiáng)焊接施工的完整性，應(yīng)對(duì)相關(guān)的環(huán)節(jié)點(diǎn)合理設(shè)計(jì)。比如，應(yīng)使焊接材料以及結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的焊接韌性，在焊接的時(shí)候應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況來(lái)對(duì)焊接斷面進(jìn)行處理，可使損傷程度有效降低，以保證焊接的效果，提升焊接的質(zhì)量。在焊接施工中可能會(huì)出現(xiàn)微觀質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)對(duì)微觀質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行明確，避免在使用中產(chǎn)生更多的問(wèn)題。應(yīng)對(duì)焊接次數(shù)以及焊接規(guī)格進(jìn)行合理控制，在焊接施工中應(yīng)選擇符合要求的相關(guān)性，根據(jù)鋼材的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行配置。焊接結(jié)構(gòu)的控制發(fā)揮了有效的作用，在焊接施工中有著一定的要求，在實(shí)際操作中需要按照以下要求進(jìn)行，第一，對(duì)橋梁焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合橋梁的受力的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行有效增長(zhǎng)。第二，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮到整體的受力，現(xiàn)代焊接技術(shù)已經(jīng)能夠使得焊接接頭強(qiáng)度等于或者高于母材的強(qiáng)度，也具有良好的抗疲勞性和斷裂性，但是在設(shè)計(jì)時(shí)要注意焊接結(jié)構(gòu)能均勻承受橋梁結(jié)構(gòu)的受力，避免其出現(xiàn)局部應(yīng)力過(guò)大的情況。第三，在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊接工程的檢測(cè)，可使焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量符合實(shí)際的要求，為焊接環(huán)節(jié)的質(zhì)量提供有效的保障。施工規(guī)范中對(duì)檢測(cè)的部位及檢測(cè)等級(jí)也有詳細(xì)的要求，目前較多設(shè)計(jì)都要求采用超聲波探傷的方法，橋梁主要構(gòu)件的焊縫如頂?shù)装濉⒏拱?、橫隔板等位置一般都要要求Ⅰ級(jí)焊縫。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)加勁肋設(shè)計(jì)

通過(guò)加勁肋的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化，在承載部分中可保證橋梁使用的負(fù)荷承載的有效性，達(dá)到動(dòng)力傳遞的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮到現(xiàn)場(chǎng)的情況，使用有效的方法來(lái)進(jìn)行荷載力計(jì)算。加勁肋的設(shè)置一般根據(jù)計(jì)算及構(gòu)造要求設(shè)計(jì)。如在橋面處由于汽車沖擊的影響，盡量應(yīng)采用剛度較大的U型肋，在采用U型肋較困難的曲線處可采用T型肋。對(duì)于人行橋等對(duì)加勁肋要求較低的橋梁可采用一字肋等剛度小的加勁肋。加勁肋應(yīng)根據(jù)計(jì)算及橋梁的受力形式來(lái)設(shè)置，通過(guò)豎向及水平方向加勁肋的合理設(shè)置，可以使橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到提升，并且加強(qiáng)其承載性，同時(shí)通過(guò)科學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，可使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供良好的條件。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)頂板人孔設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為使施工順利完成需設(shè)置人孔，在設(shè)計(jì)人孔的時(shí)候可選擇橋梁受力較小的部位以減少對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響。由于其在施工及檢修作業(yè)時(shí)重要的作用，在應(yīng)用中需要符合一定的要求。比如連續(xù)梁一般將人孔設(shè)置在受力較小的邊跨部位，腹板人孔一般設(shè)置反彎點(diǎn)附近，如此設(shè)置都是為降低對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。在設(shè)計(jì)人孔的時(shí)候，除應(yīng)選擇應(yīng)力小的位置外，在橋梁施工中人孔的數(shù)量比較多時(shí)，應(yīng)避免在同一斷面中設(shè)置較多的人孔，使人孔的間距得到有效的控制，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)保障。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合其材質(zhì)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析，鋼結(jié)構(gòu)一般容易受到腐蝕等影響，為了保證其性能，應(yīng)對(duì)其完整性加強(qiáng)設(shè)計(jì)，做好防腐蝕工作。應(yīng)考慮到腐蝕環(huán)境及條件因素，將結(jié)構(gòu)防腐涂層設(shè)計(jì)優(yōu)化，使防腐涂層可起到有效的保護(hù)作用。在防腐涂層直接與金屬表面接觸的情況下，為了使其處理效果加強(qiáng)，應(yīng)在涂層前將鋼結(jié)構(gòu)的金屬表面處理好，使其粗糙度符合要求，可使處理發(fā)揮出有效的作用，為結(jié)構(gòu)的保護(hù)提供支持。

橋梁車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁設(shè)計(jì)

在進(jìn)行橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要重視對(duì)車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果以及支座之間雙懸臂的衡量計(jì)算結(jié)果來(lái)開展設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧橋梁跨度的大小。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮豎向加勁肋的作用及設(shè)置間距，使其發(fā)揮出有效的作用。在優(yōu)化車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求來(lái)采取有效措施，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)寬箱梁腹板及橫隔板的優(yōu)化，而不是人為的多設(shè)置腹板及橫隔板，以免造成材料的浪費(fèi)。做到在節(jié)約造價(jià)的基礎(chǔ)上兼顧橋梁結(jié)構(gòu)的性能，并且保證橋梁在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。

結(jié)語(yǔ)

隨著橋梁建設(shè)的不斷完善，橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求提高，為了滿足其使用需求，加強(qiáng)其各項(xiàng)性能，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化?？山Y(jié)合橫向抗傾覆設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)、加勁肋設(shè)計(jì)、頂板人孔設(shè)計(jì)以及防腐蝕設(shè)計(jì)等提出明確要求，使設(shè)計(jì)發(fā)揮出有效的作用，保證使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)凸顯出來(lái)。通過(guò)對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使其整體性能提升，可使橋梁的質(zhì)量全面提高，為橋梁交通發(fā)展創(chuàng)造更好的條件。