桥梁设计中钢结构的完整性设计分析

陈瑾、何文进

（江西赣北公路勘察设计院，江西 九江 332000）

0 引言

近年来，在我国汽车数量不断增加的背景下，桥梁工程所承受的荷载量也不断增加。在桥梁设计环节，为保证桥梁运行的安全性，提高桥梁的耐久性，必须不断提高桥梁钢结构的完整性设计水平。因此，在桥梁设计环节，设计人员应严格遵循国家标准与行业规范，保证桥梁钢结构的完整性满足设计规范，从而提升桥梁的稳定性与安全性。

1 桥梁钢结构设计要求

对于桥梁钢结构而言，它的组成是通过多个不同的小块钢结构焊接在一起，构成最为直接的受力系统，这种结构形式的作用在于提高桥梁的安全性及耐久性。一般来说，桥梁的质量会在一定程度上受到钢结构设计效果的影响。在桥梁项目的开展过程中要确保桥梁钢结构设计的完整性，就需要按照相关的标准设计相应的参数，这样才能保证桥梁工程的整体质量。在桥梁项目的最初设计方案中，内部结构参数的设计可能存在一定的误差，若在后续环节未能将此类问题妥善解决，就会为桥梁工程留下安全隐患，桥梁运营过程中随着时间的不断推移，桥梁结构的整体性能就会出现各种裂缝，严重时甚至会出现坍塌问题，这会对交通通行安全造成很大影响。为杜绝上述问题，在桥梁设计阶段，需要做好桥梁完整性设计方案确定，通过优化设计参数，提升钢结构的完整性及稳定性。

2 桥梁钢结构设计中存在的不足

2.1 设计不规范

在钢结构桥梁项目建设的过程中，所有工序都是按照设计方案进行，设计方案是否合理会直接影响桥梁钢结构的性能，同时也会影响桥梁工程的建设进度。根据当前分析可以了解到，在桥梁钢结构设计的阶段中，由于个别设计人员未能深入工程现场做好相关的考察，在未完全掌握设计参数的基础上套用以往的设计经验进行设计，这就给钢结构的设计质量造成影响。同时，在材料选择时对新材料的应用没有经过系统性的分析，容易出现材料取值不当等问题，此类问题存在就会给桥梁钢结构的质量造成很大的影响。

2.2 焊接结构设计不合理

对于桥梁钢结构工程而言，在设计环节要明确钢结构的焊接方式。在钢结构焊接时焊接方式与焊点控制质量高低会受到焊接结构设计的影响，一般而言在焊接结构设计时若钢结构焊接的形式确定不够科学，或焊接位置的设计温度、焊接设计参数超过既定规范就会给母材造成影响，容易出现母材变脆等问题，从而对钢结构的稳定性与可塑性造成负面影响，进而容易产生严重的结构变形问题，这也是结构发生失稳的主要原因。

2.3 防腐锈设计不规范

桥梁工程多数处于露天环境下，在长期的使用过程中，不可避免地会受到自然因素的影响，例如：湿度会让钢材极易被锈蚀。如果钢结构腐蚀情况严重，腐锈程度超出规定标准，则会大大降低其承载性能，影响钢结构的稳定性与安全性。钢材锈蚀的部位极易出现断裂的问题，甚至会造成严重的塌陷事故，严重威胁桥梁运行的安全性。但个别设计人员在确定设计方案时，对钢结构的腐蚀问题不够重视，钢材防腐厚度设计过于薄弱，同时防腐材料的选择不够科学，这种问题会给钢结构性能造成一定的影响。

2.4 忽略材料细节

在桥梁钢结构设计中，设计人员若未能全面有效地落实细节设计工作，也会导致桥梁运行时发生各种病害。比如，设计人员在选择镶嵌结构形式时，没有做好裂缝控制容易使结构部件的性能受到影响。如果镶嵌部分不合理，桥梁在运行过程中因受到持续性的作用力会出现裂缝病害，在裂缝病害不断扩大背景下，桥梁会产生变形情况，严重时会导致钢结构损坏。

3 桥梁钢结构完整性设计方案

3.1 科学开展抗倾覆设计

桥梁钢结构设计环节的工作量比较大，加之目前的桥梁工程普遍规模较大，使得钢结构设计的复杂性更高。特别是在一些半径较小的桥梁设计中，对桥梁结构横向抗倾覆性要求比较高。因此，在桥梁钢结构设计中要从以下两个方面做好设计：

3.1.1 抗倾覆设计的环节中，要想提升抗倾覆性，就需要加强桥梁设计环节的仿真模拟计算。一般来说，横向抗倾覆设计要严格落实受力条件分析，掌握倾覆荷载参数，分析空间影响，确定具体的结构和约束信息，保证结构的抗倾覆性能合格，同时要消除不良受力条件的影响，提升钢结构性能。

3.1.2 如果桥梁跨径尺寸较大，在设计方案确定时，并未综合分析多个方面要求，或相关参数考虑不全面，就会出现小半径曲线加宽以及一联多孔跨位问题，很容易导致结构出现倾覆现象。因此，如果横向抗倾覆方面有问题，需要严格落实受力条件的分析，确保受力条件合格；如果现场条件允许，也可以应用局部混凝土填实增大压力的方式提高抗倾覆能力，达到桥梁运行安全性要求。在设计阶段中考虑到钢结构的稳定性，要根据钢结构的工程需求对设计方法进行优化，必要时还可以利用BIM 技术进行相关参数的优化设计。

3.2 合理运用焊接结构设计

在钢结构整体设计中，要严格根据焊接设计规范要求，做好设计的管理控制。通常情况下，钢结构工程的施工，焊接是目前广泛应用的连接方式。因此，在设计环节中，需要采用全自动焊接方式进行焊接，全自动焊接方式可以减少焊点缺陷，可以在一定范围中提升结构之间的连接质量。此外，在焊接时要考虑结构焊接损伤问题与钢结构受力等多方面问题，在焊接设计阶段要从以下几个方面做好控制：

3.2.1 对于焊接出现的损伤问题，在一定的程度上与焊接的材料以及焊接技术有一定的影响，因此在设计的阶段需要全面分析材料的刚性，对施工方案进行优化。首先，应确定合适的焊接材料，韧性、强度性能都符合要求，且焊接时做好焊接接头的控制，防止存在焊接缺陷；其次，焊接施工中，严格执行焊接工艺要求，加强焊接管控，提高焊接水平，防止出现错焊的问题，消除焊接缺陷，不会出现应力集中的情况，提高钢结构连接效果。

3.2.2 设计人员根据钢结构桥梁受力条件、疲劳荷载等情况，选择最佳的焊接接头形式，确保承载性能合格。在焊接结构设计中，必须做好细节方面的分析，因为焊接结构设计与桥梁受力条件是相互协调的，所以在取值上要对取值参数进行核对，必要时可以采用BIM 技术开展模拟计算选择标准的参数值，以此提升桥梁承载性能。

3.2.3 焊接结构设计中，需要做好焊缝质量检测控制，确定具体焊接工艺参数。首先，在焊接结构设计中，核心是焊脚尺寸、焊缝尺寸的确定，设计环节加强参数设定，保证关键部位强度与性能合格；其次，选择不同焊接结构，明确焊接接头形式，还要执行焊接工艺方案和标准，保证焊接接头的抗疲劳性能合格，从而提升桥梁结构性能。最后，在钢结构桥梁设计阶段对于一些不可修复的问题，很多设计单位都选择焊接进行优化设计，减少设计问题出现。因此，在焊接设计阶段中要考虑腹板疲劳性问题，要通过优化设计方案，提高整体结构性能。比如，我国的港珠澳大桥，在设计中选择使用正交异型板加强焊接质量控制，由焊接机器人完成操作，保证焊接工程符合桥梁运行标准。

3.3 注重采取加劲肋设计

加劲肋作为桥梁结构设计中非常重要的一项内容，能够提高桥梁结构的整体性，使得各方面的参数均能够满足钢结构性能的标准要求。要想使钢结构的综合承载性能完全满足要求，必须提高加强肋的性能。在加劲肋设计中要遵循如下原则：

3.3.1 根据需要选择最佳仿真的形式，准确计算每项数据信息，落实参数控制，符合设计方案的标准要求；综合分析桥梁运行情况，掌握受力条件信息。但是，针对一些受力结构比较复杂的项目，相关的参数也是无法控制的，若不能掌握结构特性，容易发生翘曲、变形问题。所以，在设计中对于加劲肋设计，应该布置符合实际情况需要的加劲板，从而提高结构性能，保证安全性、稳定性符合要求。

3.3.2 钢结构桥梁顶底板的性能符合要求，一般要设置水平加劲肋。从大量工程经验分析发现，加劲肋应设置在合理位置上，使得相关的参数满足桥梁抗弯性能的标准，如此才能减少钢材消耗量，降低项目成本。如果桥梁工程主体结构是竖向承载部分，在钢结构设计的过程中，应确保竖向加劲肋的设计参数符合施工要求。如果选择上述方式不能达到规定的要求，还要联合设置横向加劲肋，以实现结构性能的提升。

3.4 实施焊接完整性设计

在桥梁受力分析中，必须保证受力条件合理，所以钢结构桥梁设计人员应该结合实际需要，选择适当的焊接方案提高焊接完整性。由于受到焊接因素的影响，相关结构位置通常会出现性能变化，想要全面消除此类问题和影响，设计人员需要从以下几个方面做好控制：一是分析钢结构疲劳特性，确定合理的焊接工艺方案，让焊接形式符合焊接功能要求。二是对材料的疲劳特性有足够的了解，考虑抗裂性方面的要素，明确具体施工作业标准，才能分析掌握钢结构桥梁的实际情况，进而可以确定关键部件的影响因素，使得结构的性能和质量合格。三是钢结构桥梁在设计阶段，分析完整性因素，简化设计方案，为整个工程结构的正常运行提供基础。四是积极组织开展设计分析，明确施工的标准和要求，加强焊接控制，提高焊接水平，消除焊接质量的问题。五是焊接工作全部完成后要注重各种检测工作，明确存在的缺陷问题，采取必要的措施进行处理，从而提高焊接的整体质量，给桥梁工程建设奠定基础。

3.5 安全寿命设计

在桥梁设计的过程中，钢结构完整性包含了桥梁安全寿命的设计。对于钢结构安全寿命设计是为了结构在一定的使用期间内不会出现损坏等问题。因此，在钢结构完整性设计的阶段中，基于结构的工作能力、具体要求，在设计环节要使用曲线的形式对其进行应用，确保在规定的使用期间内整体结构的安全。在安全寿命设计环节，采用桥梁信息系统进行相关的设计工作，由于系统自身具备一定的预测功能，在加载序以及频率分析之后，结合裂纹所产生应力结构或在定力参数的基础上，采用以S-N 曲线为标准的设计方式结合寿命曲线的标准进行有限利用。例如，在损伤绒线设计的过程中，这种方式主要是以基础力学为基础开展工作的，因此要假定构件存在裂纹的情况，并且在交换应力作用之下可以对其深度方向进行拓展分析，以此获取评估的使用寿命期限。同时，在抗疲劳设计的阶段还要明确结构的使用条件，再排除外界因素以及应力因素影响以后，做好损坏性的取值计算，这样在掌握相关结构参数之后，才能够设计出更为完善的方案。

3.6 其他有效设计方式

一是重视钢结构防腐设计，在桥梁结构设计的阶段，由于钢材具备一定的特殊性，在受到环境影响因素下就会出现各种腐蚀问题，而这种问题是无法从根本上消除的。所以，在整体设计中，选择合理的防腐蚀处理措施尤为重要。具体设计环节需要分析钢结构的腐蚀环境、影响因素等，做好钢结构的防腐蚀设计工作。从目前分析，高性能防腐铝合金钢以及防腐涂层是非常重要的两种方式，通过这种方式的应用能够提高防腐效果。在操作阶段，由于防腐层能够有效地减少外界因素的影响，大大提高结构的质量，避免外在因素产生的各种问题。为了使得防腐蚀效果合格，通常应将涂层涂抹在处理完毕的金属结构表面，结构粗糙度合格，才能达到喷涂效果的要求。二是对于部分复杂性高、工程规模相对较大的钢结构桥梁来说，设计人员应该结合桥梁要求确定人孔设计方案，保证后续的检修工作可以顺利的实施。一般来说，桥梁人孔设计在腹板或顶板的部位上，人孔尺寸通常为1.5m 左右。在该结构的设计中，设计人员综合分析不同部位上人孔所产生的应力变化，尽量选择较小受力位置设计。如果桥梁中的人孔设计数量较多，将其布置在同一个受力结构面上，就会导致桥梁稳定性下降，此时应该选择交错设置的方式。三是注重科学选取钢结构桥梁的结构内力计算、分析模式。要想提升钢结构桥梁的整体性，设计人员应落实内力设计和分析工作，了解结构受力特点。在结构内力的分析中，应简化结构模型，综合计算各项受力条件和参数，并且相互验证分析。在现场施工中，可以根据需要设置附属支承结构，提高结构的承载性能，达到荷载受力条件的要求，预防发生结构损坏的问题，以符合系统工作安全性标准。

4 结语

综上所述，桥梁钢结构的完整性设计难度较高，影响的因素较多，如果不能采取有效的应对措施，容易导致设计失效，给工程的总体运行效果带来负面影响。因此，在钢结构桥梁设计的过程需要对钢结构桥梁的耐久性、安全性进行分析，同时还需要借助信息技术或是BIM 技术通过建模的方式确定结构的取值，这样才能保证桥梁钢结构完成性符合设计要求。