桥梁钢结构完整性设计要点

2021-12-24侯宝林

四川水泥 2021年11期

侯宝林

（天津市市政工程设计研究院南京分院，江苏南京 210000)

0 引言

近年来，城市现代化建设进程显著加快，切实推动着社会经济水平的稳步提升，随着交通运输产业的蓬勃发展，道路桥梁等基础设施面临的通行压力逐步加大，对设施结构的强度性能与承载能力提出了更高要求。优化钢结构完整性设计，关键在于综合把握并全面考虑桥梁的使用现状，在实际使用过程中出现的质量问题，采取改进与应对策略，保障桥梁结构在使用阶段的安全性。

1 我国现代桥梁的使用现状

1.1 交通荷载大

社会经济发展水平的稳步提升，为人们带来了更好的生活条件。近年来，汽车产业呈现出蓬勃发展的趋势，大众对汽车的需求量与使用量大幅增加，各地交通运输网络愈发完善，可供大众选择的出行方式愈发趋于多样化，这也使得人们在工作生活以及节假日中的出行频率逐年提高。在交通体系中，道路桥梁是最为关键的组成部分，面临着较高的交通量与荷载量，很多城市逐渐出现了愈发严重的交通拥堵问题，对城市及地区的现代化建设造成了一定的阻碍与制约作用。要使得此种交通局面得到有效改善，还需以高架桥梁、立交桥等桥梁工程的施工建设为切入点，逐步加大在此方面的技术投入与资金投入，为城市提供便利可靠的交通运输条件，促使当前交通堵塞等问题得以有效缓解。完善桥梁结构完整性设计，在于满足桥梁荷载显著增大的发展需求，提高桥梁自身的强度性能与承载能力，为其在使用过程中提供安全保障[1]。因此，桥梁中钢结构与桥梁的荷载能力有直接的影响，桥梁钢结构组成复杂，如钢板梁桥，其组成如图1 所示。

图1 钢板梁桥组成

1.2 超载现象严重

在当前我国现存的所有桥梁中，早期修建的占较大部分。在当时有限的建设条件下，桥梁工程的设计与施工都存在较大的局限性，应用的技术工艺较为单一，整体结构的承载能力较弱。随着现代化发展建设速度逐步加快，人们在交通运输方面的需求显著增加，早期修建的桥梁道路普遍存在着较为严重的超载问题。桥梁在使用过程中存在的安全隐患也愈发明显，对过往车辆与行人的人身安全带来严重威胁。部分大型车辆经过带来的超载问题，在很大程度上直接破坏桥梁的内部结构，对其实际使用寿命、后续的正常使用也造成严重影响。

2 桥梁钢结构损伤的主要表现

2.1 材料损伤

钢材在冶炼和浇铸过程中会产生冶金缺陷。如磷和硫等有害元素都是在炼钢过程中不能完全清除，浇铸时FeO 与C 作用产生的CO 气体不能充分逸出而在钢材中形成微小气泡等。这些缺陷都会影响材料性能，使钢材塑性、韧性有所下降。另一方面，钢材受温度影响较大，温度升高和降低都会使钢材性能发生变化。当温度降低到一定程度时，材料破坏由韧性破坏转变成脆性破坏，因此低温性能尤为重要。温度越低，材料冲击韧性要求更高，寒冷地区如东北地区的钢结构桥梁需采用E 级钢。此外，孔洞、支点、牛腿以及不良的构造设计带来的应力集中也会引发材料损伤，诱发板材开裂[2]。

2.2 焊接损伤

焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆。焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能[3]。设计常片面提高焊接标准、增大焊缝尺寸，除了大量增加焊接工作量和工程成本外，还会因结构的过度焊接、反复加热而产生大量的焊接残余应力、残余变形和延迟裂纹隐患，从而降低结构安全及使用寿命。

3 桥梁钢结构完整性设计要点

3.1 强度

材料的选用并非强度等级越高越好。强度级别高，其塑性和韧性都会下降，对损伤的敏感性增加，因碳当量的增加，焊接难度也随之增加。板材应遵循“宁薄勿厚”的原则。较之薄板，厚板的综合性能偏低。焊接过程带来的热效应更突出，对工艺和接头的使用性能更不利。同时，板厚的增加也并不能缓解疲劳裂纹的扩展。在钢结构设计中焊接接头韧性是控制指标，应纠正过度追求母材高性能，而忽视焊接接头性能和构造形式。合理的焊接结构应按需要布置焊缝和设定焊脚尺寸，避免过度焊接。尽量减少焊接热过程带来的损伤，低损伤度的焊接接头是结构耐久性的根本保证。

3.2 刚度

钢桥自重和刚度相对较小，变形和振动比混凝土桥大，为避免过大的变形和振动对车辆行驶的安全性和舒适性产生不良影响，钢桥必须有足够的整体刚度，因此规范通过限制杆件的长细比和挠度等，保证桥梁具备足够的刚度。考虑到恒载作用下，桥梁结构将产生变形，为保证成桥后的桥面曲线平顺，钢桥桥面应设置预拱度，对于不同的结构形式应采用不同的预拱度设计。钢箱梁加工常通过横隔板的布置控制箱体线形，因此设计预拱度时应采用平顺的曲线与竖曲线纵坡叠合，并标注每道横隔板处的预拱度。钢桁梁预拱度通常通过改变上弦杆件长度增加或者减少，维持腹杆及下弦桥面杆件长度不变，来使桥面节点达到上拱的目的。常用的预拱度设置方式有无内力起拱、有内力起拱和桁外力起拱等。

钢结构人行桥因其结构形式较轻柔，易产生振动问题。由于各种振动而导致的桥梁适应性降低乃至破坏的事件时有发生，我国现行人行天桥规范规定天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz。随着钢结构人行桥逐步往跨度大、造型柔、结构轻的方向发展，自振频率一般不满足大于3Hz 的要求。提升结构自振频率常采用两种方案：增加结构自身刚度和设置阻尼装置，前者对中小跨径桥梁会有较明显的改善，但对大跨径的桥梁提升效果甚微，且对工程造价影响极大，经济性不佳；后者是一种常见的抑制振动的有效措施，常用的阻尼器有黏滞阻尼器、调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器等。在没有适合我国国情的人行桥动力分析指南及舒适性评价标准情况下，可参照德国《人行桥设计指南EN03（2007）》进行分析及评价。

3.3 稳定性

钢桥作为薄壁结构，自重和刚度相对较小，稳定性突出，钢结构稳定性包括整体稳定性和局部稳定性。整体稳定主要包含横向抗倾覆验算和宽高比、宽跨比计算等设计内容，因近年来车辆超载引起的箱梁倾覆失稳直至垮塌事故频发，钢桥的横向抗倾覆性能是设计的重点。横向抗倾覆设计主要是依托于精确的计算分析，对桥梁关键部位的实际受力情况予以深入研究，确保桥梁横向方向上受到相对均匀的作用力，防止因受力分析不准确、结构设计不到位等问题，导致桥梁结构受力不均，进而加快钢结构遭受损坏的速度。由此可见，设计桥梁钢结构的横向抗倾覆性能，应该以综合性、完整性的受力分析为基础，在合理适宜的范围内科学控制横梁的受力情况。在条件允许的情况下，可以在桥梁横梁处选定一个适当的位置，使用铁砂混凝土或铸铁等材料对其进行填充压重处理，确保钢结构在实际使用阶段的受力更加均匀，全面提升桥梁的稳定性与安全性。

为防止加劲肋先于母板失稳，一般采用刚性加劲肋作为母板的有效支撑。受压板件由稳定控制构件承载力，设置加劲肋是最合理的方式，而加劲肋应该有足够的刚度。因此，局部稳定性常采用“薄板强肋”的设计原则，既可满足结构承载要求，又符合钢结构轻量化设计的思想。规范中对主梁翼缘板的宽厚比和加劲肋的宽厚比和惯性矩做了限值，满足这些构造要求即可防止在制作、运输、安装和运行过程中出现局部失稳。

3.4 疲劳

构件和连接拉应力大小发生变化或出现拉压交替变化时要考虑疲劳的影响。由于汽车荷载是导致疲劳破坏的主要因素，故规范规定承受汽车荷载的结构构件与连接应进行疲劳验算。钢桥面是出现疲劳破坏的主要部位并且带有不可修复性，国外规范采用标准化的结构细节来保证其抗疲劳性能。我国规范对钢桥面的最小厚度、顶板加劲肋尺寸和刚度、顶板与加劲肋的焊接要求等细部构造提出了相应要求，国内也在研究解决U 肋与顶板连接部位的疲劳开裂问题，如采用U 肋内焊等技术提高该接头的抗疲劳性能。焊接结构疲劳与强度关系不大，主要受应力幅控制，在构造细节方面，疲劳强度与几何突变关系较为密切，因此钢箱梁腹板常设置于行车轮迹中心线0.6m 之外，以降低桥面刚度突变产生的疲劳裂纹。改善结构疲劳性能的措施主要有：增大构件截面，降低应力幅水平；采用合理的构造细节，选择应力集中程度低的构造方案，当应力集中不可避免时，尽可能将其设置于低应力区；尽量避免多条焊缝交汇；现场拼接焊缝替换为抗疲劳性能好的高强度螺栓连接。

3.5 防腐

尽管钢结构桥梁具有良好的使用性能，为建设施工提供了较大的便利条件，但由于钢材性质具有一定的特殊性，环境因素很容易对钢结构起到腐蚀作用，因而对其结构的整体防腐蚀设计也提出了较高要求。提高完整性设计水平，需要将防腐蚀方面的设计完善放在首要位置上，对桥梁所处的环境条件、可能面临的腐蚀因素加以充分考虑，引入防腐涂层设计等多样化的技术手段，一方面提高钢结构桥梁的使用寿命，另一方面将防腐涂层的保护作用最大限度内发挥出来，避免金属表面与防腐涂层直接接触，优化防腐设计的处理效果。在均匀布设涂层前，施工人员需预先全面地处理钢结构的金属表面，在适宜范围内提高金属表面的粗糙度，优化防腐涂层的应用效果，切实提高桥梁钢结构在使用过程中的抗腐蚀性能。