结构化设计应用于桥梁设计中的思考

2022-11-07潘伟华

交通科技与管理 2022年20期

关键词：拉索主梁结构化

吴军,潘伟华

（1.华设设计集团股份有限公司连云港分公司,江苏连云港 222000;2 连云港市铁路事业发展中心,江苏连云港 222000）

0 引言

在桥梁设计过程中应采用结构化设计法来重点完善设计方案和体系，明确具体设计工作的标准规范要求，完善结构化设计的方案和计划[1-2]，通过有效的设计方式，提升桥梁结构设计的科学性和合理性，提高桥梁的安全性和耐久性。

1 工程概况

长浒大桥位于苏州城北路（长浒大桥～娄江快速路段）改建工程设计起点，西侧紧邻长江路与G312交叉口（距离约230 m），东侧距离虎林路与G312交叉口距离约270 m，跨越升级改造后的苏南运河。现状长浒大桥分左右两幅桥，其中左幅桥修建于1991年，右幅桥修建于2000年。桥梁全长210 m，跨径布置为（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，桥面全宽30.0 m，两幅桥之间设变形缝。现状桥面横向布置为2.0 m（人行道及栏杆）+3.5 m（非机动车道）+8.75 m（机动车道）+1.5 m（中分带）+8.75 m（机动车道）+3.5 m（非机动车道）+2.0 m（人行道及栏杆）=30.0 m。主桥上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，左幅引桥为T梁，右幅引桥为空心板梁桥，如图1所示。

图1 长浒大桥平面图

2 桥梁工程设计中结构化设计应用的原则

2.1 科学性

桥梁设计工作中采用结构化设计方式，应遵循科学性的基本原则，合理进行桥梁结构的选择，优化配置不同桥梁结构元素和要素，避免发生工程项目质量问题。同时，在桥梁设计期间应避免整体结构的设计出现问题，科学进行桥梁不同结构的设计分析和优化，最大限度降低故障问题或安全问题的发生率，为改善道路交通系统的发展现状夯实基础。与此同时，在桥梁工程设计的过程中采用结构化设计方式，还需组织专家小组和技术小组进行结构化设计成果的探讨和研究，深入分析整体设计内容的科学性和合理性[3]。一旦发现设计内容不科学或不合理，应及时进行调整与处理，确保能够提升桥梁工程结构化设计科学性，保障设计工作的水平。

2.2 持续性

近年来，我国交通运输车流量不断增加，桥梁建设工程受到广泛重视，主要因为桥梁的设计和建设对交通系统的运行会产生直接影响。该情况下应按照桥梁对交通系统所产生的影响，遵循持续性设计的原则要点，考虑道路和桥梁结构的连续性，按照道路和桥梁结构的受力特点与受力面积，合理进行不同结构的设计，维护整体桥梁结构的安全性和稳定性，延长桥梁工程的应用寿命。

2.3 简约性

桥梁设计的工作中遵循简约性的基本原则，主要是对结构的设计内容进行简化，通过简约的结构稳定传递结构应力，及时进行外部负荷和内部应力的分散，提升整体结构的强度，减少工程施工材料的应用量和施工建设成本，提高项目经济和社会效益。

3 桥梁工程设计中结构化设计应用的措施

3.1 斜拉索结构化设计

为确保桥梁工程结构的良好施工建设，在该工程项目中进行斜拉索的结构化设计，如表1所示。整体桥梁工程项目设计24对斜拉索，每对斜拉索的两根拉索间距控制在一定范围内，在中央分隔带中平行设计扇形索面，其中边跨拉索C6-C12和其他拉索在主梁上的锚固点间距、拉索在主塔上锚固点竖向间距，也必须要进行合理的设计。在斜拉索设计时主要设置双层热剂、皮衣护套和钢丝拉索体系呈现半平行的状态，所设计的护套采用密度很高的聚乙烯材料，具备一定的防风、防雨、防震性能，内侧设计成为黑色，外部设计成为彩色。其中，钢丝使用直径为7 mm的镀锌强度较高的钢丝，标准强度控制为1 670 MPa，模具部分设计成为和拉索规格互相对应的冷铸构件，为与挂篮施工相互适应，在斜拉索两侧区设计张拉端锚具，安装的过程中塔内进行张拉处理，主梁内设计锚固结构。在斜拉索结构化设计方面，单幅桥梁共设计48根，划分成为不同的类型，将结构安全系数控制为2.5左右。

表1 斜拉索的结构化设计

3.2 主梁结构化设计

桥梁主梁结构化设计的过程中，主要将结构划分成为不同的设计元素，如表2所示。主梁结构断面设计的过程中，设置单箱双室斜腹板箱梁类型的截面形式，中心线位置的梁体高度、顶板的宽度、底板的宽度、悬臂的长度应控制在合理范围内，且箱梁顶板的位置需要设计单向横坡，底板的部分处于水平状态。且在设计的过程中，设置前支点挂篮悬浇的形式主要分成标准段和支架现浇段，其中的标准段设计方面，按照实际情况设置箱梁顶底板的厚度、中腹板和斜腹板的厚度、悬臂端和根部的厚度[4-5]。支架现浇设计的过程中，主要是在主塔根部和梁端的位置，增加顶板和底板局部厚度、主塔根部位置中腹板局部厚度。设计工作中应按照主梁结构特点和具体情况，提出主梁结构的规格标准和结构化设计要求。在完成主梁结构化设计后，校验各类参数的合理性和科学性，切实保障主梁结构化设计水平和效果，避免因为主梁的结构化设计问题而导致整体设计效果降低，进一步提升桥梁的主梁结构化设计水平。

表2 主梁结构化设计参数

另外，在主梁的结构化设计过程中，将悬浇标准段的长度设计为7 m，横梁的位置和斜拉索锚固点的位置之间相互对应。将横梁的厚度设计为35 cm，边跨压重阶段的横梁和斜拉索相互之间的距离增加设计到3.5 m，横梁的厚度增加设计到50 cm。过渡墩位置的主梁结构设计过程中，将端横梁的厚度设置为2 m，主塔位置设计厚度为3 m的横梁。整体的主梁结构设计C50等级的混凝土，合理进行纵向、横向、竖向预应力体系的设计，对于横向和纵向的预应力，设置直径为15.2 mm的钢绞线，构建群锚类型的锚固体系。在管道成孔方面则设置金属波纹管材料，而竖向预应力和施工过程中的临时预应力则设计直径为32 mm的精轧螺纹钢筋材料，并设置YGM扎丝锚固。

3.3 索塔结构化设计

索塔结构主要设计成为宝塔形状，涉及上塔柱的部分、中塔柱的部分、下塔柱部分和下横梁部分。设置C50等级的混凝土，整体高程为69.457 m，上部分高32.106 m，中间部分高23.984 m，下部分高13.457 m，中间和下部分塔柱横桥，向着外侧区域倾斜率为1∶2.5和1∶2.341，在桥面上索塔的高度是56 m。塔柱结构设计期间，断面设计成为空心箱的形状，上塔柱设计为单箱双室的结构，尺寸从之前的4 m×3.8 m设计成为8.666 m×4.215 m，斜拉索前方部位塔壁厚度设计为0.9 m，侧面部分厚度设计为0.55 m，中间腹板的厚度设置为0.75 m。中下塔柱设计成为单箱单室断面，具有不对称的特点，尺寸设计为2.93 m×4.507 m，中塔柱的壁厚度设计为0.55 m，下塔柱则设计成为实心断面。

由于上塔柱的荷载会通过中塔柱和上塔柱之间相互连接的位置传递给两个塔柱，这个位置的受力非常复杂，为避免因为受力复杂而出现问题，需要设计厚度为1.5 m的横隔板，达到结构加强的目的。下塔柱和中塔柱之间衔接的位置也要设计3 m×3 m的横梁，在塔顶的区域设计避雷针、航空障碍灯基础设施，桥面以上2 m的位置为中塔柱设计进入孔。在设计的过程中上塔柱斜拉索锚固区域设置张拉锚块结构，塔壁周围设计U形的预应力钢束，在一定程度上能够起到抵抗斜拉索水平分力的作用，且U形预应力钢束需要沿着塔的方向交错性设置。设计直径为15.2 mm的钢绞线预应力材料，配置群锚锚固体系，在管道成孔方面设计塑料波纹管材料。为了提升桥梁通行和维护的便利性，在上塔柱的塔顶和中塔柱桥面的位置都设计能够在索塔进出的通道，塔柱结构、横梁结构和隔板结构设计相互连通的出入口，索塔的内部设计安全且非常简易的爬梯，如图2所示，应确保整体索塔结构的设计水平和效果，预防出现索塔设计的问题，提升结构化设计效果，确保整体结构设计工作质量的提升。

图2 索塔结构通道的设计

3.4 结构受力和强度的设计

（1）结构受力的设计。按照桥梁荷载计算结构横向受力，根据标准规范的要求，分析车辆荷载效应，结合公式进行计算：车辆荷载效应×0.7系数。同时，根据斜拉索在主梁中锚固点的距离计算桥梁车道板的横向跨度，极限承载力的计算可以按照国家规范标准的公式进行验算，在公式内，根据设计安全等级为二级进行桥梁结构重要系数的取值，也就是1.0，人群荷载效应组合系数取值0.8，确保整体桥梁结构设计的安全性，将相关数据值代入公式内，获得计算的结果，明确每米所需要设计钢筋的数量，以受力分析为基础提升桥梁结构设计的可靠性。

（2）结构强度的设计。桥梁结构强度设计的工作中，应按照不同结构的特点，合理进行强度的计算和分析。例如：主梁承受最低弯矩的情况下，应按照公式计算参与受压作用的宽度：6×板的厚度。根据规范要求，计算构件正截面抗压承载力参数，合理进行主梁结构的设计，确保结构承载力和安全性符合要求。同时，在结构强度设计的工作中，按照结构化设计的特点全面验证分析不同结构的强度情况，通过对结构参数的分析、检验和认证，提出能够提升整体结构强度设计效果和水平的建议，改善整体结构设计过程中的参数指标，切实保障不同的结构设计效果和水平，进一步发挥结构强度设计措施的价值和作用，促使桥梁工程结构强度的提升，增强强度的基础上保障桥梁工程项目的稳定性、安全性和可靠性，最终达到高效化、高标准设计的目的。

另外，还需重点进行桥梁截面最低尺寸的控制，为预防发生斜截面斜压破坏的问题，应按照行业标准规范进行桥梁钢筋混凝土等各类结构截面受弯构件的控制，使截面最低的尺寸能够在合理范围内，满足支点截面的要求：

式中，Qt——桥梁截面强度的函数；R——混凝土的抗压强度；h——截面高度；b——截面长度。通常情况下，在支点的位置剪力最高，等截面梁支点截面设计需要符合公式的要求，确保整体梁体结构的设计强度合格。但是在变截面梁设计的过程中，由于梁高会发生变化，因此，需要采用数学分析的方式进行研究，准确判断是否和要求相符。假设Qt(y)（梁高跨长）是任何点位截面的最高剪力值，数据值沿着桥梁跨度长度y发生改变，又被称作是最高的剪力函数，这个函数的曲线方程是桥梁剪力包络图，由于属于变截面梁，梁体结构高度是跨度长度y的函数，因此属于y的函数，如果，F(y)指的就是梁体结构的函数，那么变截面梁的截面最低尺寸就应按照公式进行控制：Qt（y）≤F(y)。