关于桥梁钢结构的设计探讨

吴宽

（中交公路规划设计院有限公司，杭州310000）

1 引言

目前，我国道路交通事业已步入新发展阶段，桥梁建设已成为公共交通建设的核心构成，其不受空间限置，与道路及隧道形成广阔的交通路网，为人们生产、生活提供便利，推动我国经济发展。但是，近几年随着桥梁坍塌、断裂等现象频频发生，给人们生命及财产安全构成严重威胁，所以国家对桥梁设计日益重视。钢结构作为桥梁核心构成，为消除各类不安全因素，提升桥梁承载力，需将钢结构设计方案予以优化及完善，保证钢结构方案的合理性及全面性，为桥梁安全性及整体性提供保障。

2 钢结构整体设计理念

2.1 桥梁钢结构的整体性设计目标

桥梁钢结构整体性设计主要核心为：确保桥梁钢结构在特定使用年限内，具有良好的安全性及稳定性。在桥梁钢结构设计中，因其受载荷、制造工艺、材质性能、安装方法、使用环境等众多因素影响，给设计人员提出新的任务与挑战，所以在设计中，不仅需对其结构、细节、构件连接予以充分考量，而且还需对损伤及损伤容限、抗断裂性能进行综合考量，才能确保钢结构方案具有整体性。

2.2 钢结构损伤及损伤容限

钢结构从材料加工至使用进程中，其内部及表面均会产生不同程度变化，造成部分缺陷。随着时间推移，在载荷、温度、腐蚀等作用下，缺陷会不断扩张从而形成宏观缺陷，降低材料结构性能。损伤容限的判定作为整体性优化设计核心，其上述因素均可导致钢结构出现时效现象，致使桥梁自身不具备完整性。因此，桥梁设计人员在进行设计时，对损伤容限应予以重视，保证钢结构不会因外部因素造成腐蚀及损伤，保证其具有完整性。

3 钢结构设计策略

3.1 横向抗倾覆稳定设计

钢结构桥梁通常较轻且具有较强的刚度，所以在其小半径及多车道设计进程中，横向倾覆设计为其核心内容。在传统桥梁施工中，钢结构设计不当，会导致施工中或桥梁使用期间出现桥体倾覆的现象。因连续钢梁半径较小，跨度较大，加之桥面宽度比钢梁大，必定造成活载不是最佳值，严重时横梁外侧支座受力不断增大，而内侧支座不受力，使横梁受力出现不均衡现象，造成梁体倾覆。因此，在设计进程中，通过对其各部分受力情况精确计算，合理设计横梁偏心受力状况，如此不仅可以满足桥梁载荷需求，也能使桥体受力均衡。此外，为提升桥梁整体稳定性，在符合要求的基础上，可以在横梁处采取灌沙措施，为多车道桥梁整体稳定性提供保证。

3.2 焊接结构完整性设计要点

焊接结构完整性设计，为桥梁整体稳定性提供了保障。但在焊接结构设计中，焊接接头形式不同会使受力存在较大差异，接头部位应力也会造成母材受力存在偏差。同时，在焊接进程中往往不能100%消除应力，所以使焊接接头出现变形，从而无法满足桥梁整体性设计要求。因此，在桥梁设计中，必须将焊头接头形式加以重视，根据桥梁整体性设计要求，必须做到以下几点：

1）根据桥梁工程实际情况，选取科学、合理的焊接形式，并利用焊接检测要求获取静力及疲劳等级，以此选取焊缝处理方式，使焊接的各构件受力均衡，最大限度降低应力。

2）需按照焊接检测要求实施焊接作业，按设计要求提升焊接质量[1]。

3.3 加劲肋设置

加劲肋是在支座或载荷集中的地方，为了保证构件在局部具有良好的稳定性，所设置的条状加强件。有人认为，加劲肋设计有无均可，对桥梁钢结构整体不会造成很大影响。实际上此种意识不正确，其需经过严密的设计计算，确定是否有必要设置加劲肋，其存在与否与腹板值息息相关。若一旦确定需加设加劲肋，应优先考虑竖向加劲肋，设置其距离时以腹板厚度与剪应力为基础，当竖向加劲肋无法满足钢结构需求时，应引入水平加劲肋做以辅助。

加劲肋设置主要是因原构件截面不足，以此将原构件截面大小予以调整，提升构件抵抗弯矩及剪力性能，有效降低钢使用总量，从而减少材料投入成本。因此，在工程中，加劲肋通常设置在原有构件上，以此增强抵抗弯矩及剪力性能[2]。

3.4 钢箱横梁及施工人孔设计

在桥梁设计中，若主道设计过宽时，必须将车道钢结构宽箱梁予以优化，从而满足竖向计算需求。在具体设计中，需将重点放在竖向计算的基础上，再计算横梁自身跨径，若其中涵盖双悬臂的简支梁，应对竖向加强筋状况予以关注。通过精确计算，若竖向及横向加劲肋与桥梁规定强度不相符，则需进行科学、合理的强化处理。

在箱梁设计之外，对钢结构涵盖的人孔也应进行优化设计。一般情况下，为便于施工需设置相应人孔，主要在桥梁箱梁顶板及腹板上开设，具体位置在1.5倍跨径处，而腹板人孔必须设置在应力较为薄弱区域，如简支梁，其施工人孔可设置在跨中；而对于连续梁而言，必须将其剪力予以明确，选取剪力较小部位。对于人孔设计不局限于一个，不能将其均设置在相同断面上，应采取错开设置[3]。

3.5 结构内力计算

在桥梁整体结构设计中，结构内力计算为其核心部分。一般在计算结构内力时，均会涵盖简支梁或单悬臂模式，所以应将桥梁分为各受力单位，并对其设置不同编号，将其放置于不同截面上，最终根据最初数据及相关项目信息，对其结构内力进行计算。通常，结构内力计算会涉及项目信息、预应力钢束位置、个单元结构特征等，应通过重复审核验算判定桥梁整体安全性能，从而完成载荷、收缩徐变等。

4 桥梁设计注意事项

4.1 重视耐久性

从20世纪90年代开始，桥梁设计时对其耐久性加以重视，并取得一定成就。此研究成果大多以材料及统计分析为出发点，很少涉及结构耐久性的设计研究。由于结构耐久性与常规设计存在较大差异，其对桥梁安全运营及经济发展具有重要作用。因此目前，应对桥梁耐久性加以重视，并加大研究力度。

4.2 加强对疲劳损伤的研究

桥梁结构承受的车辆载荷与风载荷均为动载荷，会在结构内部产生一定影响，引发结构振动，长此以往形成结构疲劳积累损伤。在桥梁建设中，因其使用材料并非均匀连续，其中存在微小缺陷，随着时间推移，会使缺陷发展成为宏观裂纹，若不加以把控，极易引起材料、结构脆性断裂。通常早期疲劳损伤难以被检测，但其引发的后果不可估量，所以应对其疲劳损伤予以重视。

4.3 充分重视桥梁超载问题

桥梁超载一定程度上会引发疲劳损伤，使疲劳应力增大，严重情况下会引发桥梁结构断裂事故。又因桥梁内部损伤无法修复，致使桥梁在正常运行下状态发生改变，影响桥梁的安全性及持久性。所以，在进行设计时，需充分重视桥梁超载问题。

4.4 借鉴国外经验及成果

国内桥梁设计中存在的问题主要包括结构使用性能差、耐久性不足、安全性较低等，此类问题的产生与施工质量及管理水平息息相关，但与设计也有较大关系。设计人员需正视此类问题，并在此基础上充分考量当下施工及管理水平，借鉴国外成功经验，采用科学、合理的措施，保证桥梁使用性能。

5 结语

桥梁钢结构是否具有良好的稳定性，直接决定桥梁自身承载力及其他受力特征，设计人员需对其予以重视，并从整体局面出发，将桥梁受力情况予以明确，从焊接形式、抗倾覆性、梁箱与人孔等方面进行优化设计，以此保证钢结构整体质量。