關(guān)于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)探析
2017-06-05
在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是關(guān)于橋梁施工和使用期安全性的問(wèn)題還有許多可以改進(jìn)的地方。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計(jì)，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠性指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。
1 橋梁設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)
1.1 應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)90年代始重視了對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的研究，也取得了不少成果。這些研究大多是從材料和統(tǒng)計(jì)分析的角度進(jìn)行的，對(duì)如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的角度及如何以設(shè)計(jì)和施工人員易于接受和操作的方式來(lái)改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而且，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的研究，卻忽視了對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)與常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的區(qū)別，目前需要努力將耐久性的研究從定性分析向定量分析發(fā)展。國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐都表明，結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)于橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。
1.2 重視對(duì)疲勞損傷的研究。橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。 由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到，但其帶來(lái)的后果往往是災(zāi)難性的，故而對(duì)疲勞損傷的研究需要引起足夠的重視。
1.3 充分重視橋梁的超載問(wèn)題。橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問(wèn)題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。因此需要對(duì)超載帶來(lái)的后果進(jìn)行研究、分析。
1.4 積極借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和成果。國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題是結(jié)構(gòu)正常使用性能差、耐久性和安全性差（包括使用壽命短、維護(hù)費(fèi)用高、安全事故較頻繁等）。這些問(wèn)題的產(chǎn)生固然與目前國(guó)內(nèi)施工質(zhì)量和管理水平較低有關(guān)，但平心而論，既然這種現(xiàn)狀不能在短期內(nèi)得到解決，那么作為工程設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該在正視這一問(wèn)題的前提，充分考慮到現(xiàn)階段的施工和管理水平和材料工藝水平，采用適當(dāng)?shù)陌踩?、適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法來(lái)保證橋梁使用性能的達(dá)到，這才是更為主動(dòng)和有效的方法。特別是橋梁存在的耐久性和安全性問(wèn)題很多與結(jié)構(gòu)體系或使用材料選擇不合理及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理不當(dāng)有關(guān)。
2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)策略
2.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)。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(jì)時(shí)，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(jì)原因，導(dǎo)致在施工過(guò)程中或者橋梁使用過(guò)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(duì)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(jì)過(guò)程中，通過(guò)合理的計(jì)算，來(lái)設(shè)計(jì)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(shí)的橋梁整體穩(wěn)定度。
2.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)要點(diǎn)。橋焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)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(shí)，在焊接過(guò)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(jì)要求。所以在橋梁整體設(shè)計(jì)中，必須考慮焊接接頭的設(shè)計(jì)，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(guò)焊接性檢測(cè)要求來(lái)獲取靜力和疲勞等級(jí)，來(lái)決定焊縫相關(guān)形式；在焊接設(shè)計(jì)中，必須詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)中必須考慮焊接檢測(cè)相關(guān)要求，必須以無(wú)損檢測(cè)等相關(guān)控制指標(biāo)來(lái)檢測(cè)焊縫質(zhì)量。
2.3 加勁肋設(shè)置。加勁肋是在支座或有集中荷載處，為保證構(gòu)件局部穩(wěn)定并傳遞集中力所設(shè)置的條狀加強(qiáng)件。加勁肋的設(shè)計(jì)，通常很多人都認(rèn)為這方面是可有可無(wú)的，實(shí)際上必須通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算才能決定是否加勁肋。加勁肋與否，是有腹板的h0/δ的值來(lái)決定。如果確定需要加勁肋，則優(yōu)先考慮豎向加勁肋，并且其設(shè)置距離由腹板厚度以及相關(guān)剪應(yīng)力來(lái)決定。當(dāng)豎向加勁肋仍然不能滿足要求時(shí)，可設(shè)置水平加勁肋，水平加勁肋是豎向加勁肋的補(bǔ)充形式。
加勁肋的設(shè)置是因?yàn)樵袠?gòu)件截面的不足而用來(lái)增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力的，因?yàn)樵O(shè)置加勁肋可以縮小原構(gòu)件截面大小，從而有效的降低用鋼量，壓縮成本，所以在工程中，一般設(shè)置在原有構(gòu)件上起到增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力的作用。
2.4 鋼箱梁橫梁設(shè)計(jì)。當(dāng)橋梁主道設(shè)計(jì)過(guò)寬時(shí)，必須優(yōu)化車道鋼結(jié)構(gòu)寬箱梁，在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)滿足其豎向計(jì)算要求，對(duì)于橫梁的跨徑，需要從支座間雙懸臂簡(jiǎn)支梁的計(jì)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(shí)，考慮橫向加勁肋，其計(jì)算措施與縱向計(jì)算措施相仿。
2.5 施工人孔的設(shè)置。橋梁的整體設(shè)計(jì)中，其不可忽視的一環(huán)是人孔的設(shè)置，通常情況下，人孔是為了方便施工，在橋梁箱梁頂板和腹板上開設(shè)。頂板施工人孔的具體位置可設(shè)置在1.5跨徑處，而腹板的施工人孔的具體位置必須設(shè)置在應(yīng)力相對(duì)薄弱的地方，比如簡(jiǎn)支梁，其腹板施工人孔可設(shè)置在跨中，而連續(xù)梁，必須精確計(jì)算剪力，選取剪力最小處。有時(shí)候人孔的設(shè)計(jì)不止一個(gè)，不能將所有人孔分布在相同斷面，采取錯(cuò)開設(shè)置。當(dāng)應(yīng)力較大的地方必須加設(shè)施工人孔，必須采取加強(qiáng)措施。
2.6 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算是以邊孔采用單懸臂，中孔采用簡(jiǎn)支掛梁作為結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式。將橋梁縱向劃分為多個(gè)單元，并對(duì)每個(gè)單元截面進(jìn)行編號(hào)，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(duì)全橋結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算的內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)力、收縮徐變及活載計(jì)算。橋臺(tái)處滑動(dòng)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(dòng)支座。
3 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的加快，帶動(dòng)了橋梁技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，在當(dāng)前形勢(shì)下，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)用也十分廣泛，主要是在設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)化，才能確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。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(jì)，才能保障橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.2-2005).北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.
[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第二版)[M].北京：人民交通出版社，2005.
[3]盧永成等.上海長(zhǎng)江大橋主航道橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].世界橋梁.2009，（A01）.14-17.
