桥梁设计中结构化设计的应用

吕吉应

(北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015)



桥梁设计中结构化设计的应用

吕吉应

(北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015)

首先对公路桥梁结构化设计的基本原则进行简要介绍，在此基础上以独塔斜拉桥为研究对象，对结构化设计方法的应用实践进行论述。

桥梁；结构化；优化设计；斜拉桥

1 独塔斜拉桥的结构特点分析

(1)桥型布置灵活。独塔斜拉桥的主梁可用变截面形式，满足桥梁的受力要求；独塔斜拉桥可配合T构，无需付出更多建设成本便可达到扩大跨径的目的；独塔斜拉桥的主塔布置形式灵活，既可满足美观性要求，又可实现合理受力。

(2)施工成本低。独塔斜拉桥仅为一个桥塔，与多塔斜拉桥相比可降低施工成本。在独塔斜拉桥结构设计中，需设计较长的无索区，可促使斜拉索的用量大幅度减少，从而控制全桥造价。

(3)施工工艺简单。独塔斜拉桥的施工复杂程度不高，可采取水平转体施工，减少施工中的临空和临水作业，使得主梁施工更加简单，有利于提高施工进度。在转体施工过程中，能够避免对桥位处通航造成影响。

(4)受力性能好。独塔斜拉桥的活载挠度相对较小，一般在拉索区产生主梁的最大挠度，有利于桥梁结构布置更加合理，避免产生拉弯区；独塔斜拉桥在处于温度梯度变化和收缩徐变的情况下，主梁的挠度相对较小，塔顶的水平变位也相对较小。

2 设计细节

(1)主梁的结构化设计。主梁的整体式钢筋混凝土板长度要与桥面长度相等，且必须将安全带设置在车道两侧。但是，由于安全带设置较为繁琐，既无利于主梁受力，又会给主梁承载带来负面影响，所以必须对此处进行优化设计。可将板式梁与安全带合为一体，将主梁变成槽口朝上的槽型梁，促使受力覆盖全断面，达到设计的合理性。除了主梁与塔索部分相靠近的部分之外，其他部分的受压较小，这种受力结构存在一定不足，因此需要在设计时增加钢筋，在权衡利弊之后，也可采取槽口朝上的主梁结构。

(2)索塔的结构化设计。为便于索塔施工，满足索塔稳定性要求，其结构的设计采用矩形等截面直线塔。索塔与桥名牌之间的框架形态为“门”型，由于桥名牌位于框架结构的一条边上，所以可促使索塔横向自由长度缩短。

随着桥梁跨度的增加，塔柱截面尺寸也随之增大，跨度为40 m的塔柱截面尺寸为60 cm×80 cm，而跨度为80 cm的塔柱截面尺寸为80 cm×120 cm。

(3)斜拉索的结构化设计。

①材料选择。斜拉索需用高强钢丝或钢绞线定制，由于钢绞线斜拉索的定制费用较高，并且更换难度较大，所以阻碍了小斜拉桥结构设计的推广应用。为解决这一问题，建议斜拉索采用高强精轧螺纹粗钢筋进行定制，这种钢筋是预应力结构中采用的钢筋，直接配备了各种配件，如钢垫板、螺帽、连接器等，减少了斜拉索定制的繁琐工序。在设计时只需按照实际需求截短或接长钢筋即可，便于施工操作。

②设计要点。对于气候干燥的地区，要在钢筋涂敷防锈，延长使用年限。即便是高强精轧螺纹粗钢筋出现了锈蚀情况，也只会促使钢筋断面的减少，不会锈蚀到内部结构，能够有效避免发生应力腐蚀问题。若在长期使用中出现严重锈蚀，则可更换钢筋，更换操作难度不高。与钢绞线斜拉索的标准强度相比，粗钢筋的标准强度为930 MPa，仅为钢绞线的1/2，所以在设计时需要增大一倍的粗钢筋斜拉索截面积。采用粗钢筋后，斜拉索刚度会随之增大，主梁结点竖向变位减少，可避免出现主梁弯矩过大的情况。

③布置方式。斜拉索的布置方式具体包括辐射形、平行、扇形，下面以扇形为例对具体布置方式进行分析。用两根Φ25的高强精轧螺纹粗钢筋作为端斜拉索，用两根Φ32的粗钢筋作为其余斜拉索。在这种结构设计中，端斜拉索有利于减少索塔顶端水平变位，使其变位近乎没有。同时，梁端段的构件被压弯，可提升主梁承载力。按照斜拉索的结构化设计要求，科学确定主梁上斜拉索的间距，在反复多次测算的基础上，得出4.5 m索距为合理索距，该索距可满足斜拉索的承载力要求，适用于多种跨径桥梁的设计。现对主梁上不同跨径斜拉索的锚固点间距进行分析，如表1所示。

表1 斜拉索索距表

通过表1显示，设计总跨度为40～80 m的斜拉索，均采用了4.5 m的索距；随着总跨度的增加，拉索数量也随之增加，即每增加10 m，则多加一根拉索，索距仍为4.5 m。若4.5 m索距无法正好满足，则在索塔附近梁段调整索距，从而保证美观性和稳定性。

3 设计计算

(1)车道横向受力计算。可根据车辆的荷载情况对车道的横向受力进行计算，依据相关规范标准的规定要求，可按车辆的荷载效应乘以0.7系数进行验算。车道板的横向跨度为斜拉索在主梁上锚固点之间的实际距离，其极限承载能力可以依据JTG D62-2012规范中4.1.6-1的公式进行计算，在该公式中，桥梁结构的重要性系数可以按照设计安全等级为二级进行取值，即1.0，人群荷载效应的组合系数也可取1.0，若是取0.8的话，则安全性更高一些。将有关数值带入到公式当中后，可以得出相应的计算结果，即每米布设1012RFB335钢筋，能满足结构设计需要，并且还可以有一定的富余。

(2)斜拉结构强度验算。在独塔斜拉桥结构当中，主梁归属于偏心受压构件的范畴，在主梁承受最大弯矩时，若是不考虑其参与截面的受拉情况，则可按照JTG D62-2012规范中第5.3.5条的计算规定对其正截面抗压承载力进行计算；若是主梁承受最小弯矩时，其参与受压作用的宽度为6乘以板厚度，对此，可根据JTG D62-2012规范中5.3.6条的规定对构件正截面抗压承载力进行计算。鉴于斜拉桥主梁的受力状态具有不确定的特点，如斜拉索初始拉力的改变或是主梁标高的调整等，均可能引起主梁内里的变化，所以在结构设计中，应适当增加承载力的储备，以此来确保结构的安全性。

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[2] 方乾,许友梅,李昕怡.道路桥梁设计和施工中的裂缝原因及控制对策[J].交通世界(运输.车辆),2015，(9):87-88.

[3] 沈昕.温岭市跃进桥方案设计与结构优化分析研究[D].浙江工业大学,2014.

2017-02-15

吕吉应(1984-)，男，河南驻马店人，工程师，研究方向：桥梁设计。

U442

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1008-3383(2017)05-0117-02