钢结构桥梁整体设计技术
2010-11-16
钢结构具有轻质、高强，抗拉、抗压性能强等优势，因而在我国桥梁建设中应用十分广泛，钢结构桥梁整体性能的好坏，与其整体设计密切相关。文章阐述了钢结构桥梁整体设计相关理念，基于关键技术，探讨了桥梁整体设计优化策略。
引言
中国钢结构桥梁的发展，近年来取得了骄人的成绩，南京三桥、苏通大桥、昂船洲大桥的建造，表明在大跨径桥梁上钢结构的优势越来越明显。桥梁是为满足交通功能的建筑物，现代桥梁钢结构由结构钢加上单元经焊（栓）连接组成为复杂的受力系统，有明确的承载安全和服役耐久性要求。
一、钢结构桥梁整体设计理念概述
钢结构的特点是质量轻，强度高，并且具备其抗压以及抗拉等相关优点，对于混凝土结构而言，其外观更为直观，强度等级更高。在我国，钢结构桥梁应用十分广泛。因为作为钢结构的施工而言，其施工周期短。钢结构桥梁主要应用在：①城市立交桥段，尤其是交通要道处，如果采用混凝土桥，必然增加施工周期，对于现场交通不能较好地维护。②大跨径海、江、河桥梁（长江大桥、杭州湾大桥等），因为大跨径的要求下，只能考虑钢结构，因为如果采用混凝土结构，根本满足不了大跨径要求。
1.1钢结构整体设计目标我国桥梁钢结构的设计使用年限为100年，与国际标准（BS5400，EUROCODE）基本一致。完整性设计的目标是确保结构在使用年限内的可靠与安全。桥梁钢结构的完整性设计由荷载、材料性能、结构细节构造、制造工艺、安装方法、使用环境及维护方式等多种因素所确定。设计除对结构、构件连接及构造细节按常规考虑强度、刚度要求外，尚需对损伤与损伤容限、断裂与抗断裂作出评定。
1.2钢结构损伤及损伤容限钢结构从材料加工过程到服役期不可避免的会在内部和表面形成和发生微小缺陷，在一定外部因素（荷载、温度、腐蚀等）作用下，这些缺陷不断扩展与合并形成宏观裂纹，导致材料和结构力学性能劣化。对桥梁钢结构而言，完整性和损伤是相对应的，损伤程度将会对结构的完整性带来影响，损伤极限则是结构的失效。而损伤容限是指钢结构在规定的使用周期内抵抗由缺陷、裂纹或其他损伤而导致破坏的能力。损伤容限概念的使用是承认钢结构在使用前存在有初始缺陷，但可通过结构完整性设计方法评判带缺陷或损伤的钢结构在服役期限内的安全性。
国内桥梁钢结构因损伤导致局部破坏的实例近几年时有发生，结构损伤构成了对桥梁安全与耐久最大的威胁。在引起设计者对焊接结构损伤、损伤扩展以及结构系统失效过程关注的同时，也引发了人们对如何保证桥梁钢结构系统整体完整性的思考。
二、桥梁钢结构整体设计策略
2.1横向抗倾覆稳定设计钢结构的桥梁普遍比较轻而且强度非常高，然而，在小半径以及多车道设计时，其横向抗倾覆是当前研究的热点内容。早前的桥梁施工中，由于设计原因，导致在施工过程中或者桥梁使用过程中发生桥体倾覆。因为连续钢梁的半径比较小，所以相对而言，其跨度显得较大，如果再加上桥面宽于钢梁，这一必定显得活载不是最优，弄不好横梁外侧支座受力增大，而内侧支座出现不受力，这样横梁受力极其不均匀，发生梁体的倾覆。在设计过程中，通过合理的计算，来设计横梁的偏心受力情况，这样即可满足桥梁的荷载要求，也能似的桥体均匀受力。在横梁处采取灌砂措施，并在满足规范的条件下，增加多车道时的桥梁整体稳定度。
2.2焊接结构完整性设计要点桥焊接结构的完整性设计是保障桥梁整体稳定性的重要因素，其焊接的接头形式因受力的不同而各有差异，其接头部位的应力作用导致了母材结构以及受力性能的不同，同时，在焊接过程中不能100%消除应力，焊接应力通常导致焊接接头的变形，造成焊接接头形成大量缺陷，不能满足桥梁整体性设计要求。所以在桥梁整体设计中，必须考虑焊接接头的设计，在满足相干规范的前提下，必须做到：
①因地制宜地选择形式，并通过焊接性检测要求来获取静力和疲劳等级，来决定焊缝相关形式。
②在焊接设计中，必须详细设计其关键细节，达到焊接中受力均匀，尽可能降低应力。
③在设计中必须考虑焊接检测相关要求，必须以无损检测等相关控制指标来检测焊缝质量。
2.3加劲肋设置加劲肋是在支座或有集中荷载处，为保证构件局部稳定并传递集中力所设置的条状加强件。加劲肋的设计，通常很多人都认为这方面是可有可无的，实际上必须通过设计计算才能决定是否加劲肋。加劲肋与否，是有腹板的h0/δ的值来决定。如果确定需要加劲肋，则优先考虑竖向加劲肋，并且其设置距离由腹板厚度以及相关剪应力来决定。当竖向加劲肋仍然不能满足要求时，可设置水平加劲肋，水平加劲肋是竖向加劲肋的补充形式。加劲肋的设置是因为原有构件截面的不足而用来增强抵抗弯矩和剪力的，因为设置加劲肋可以缩小原构件截面大小，从而有效的降低用钢量，压缩成本，所以在工程中，一般设置在原有构件上起到增强抵抗弯矩和剪力的作用。
2.4钢箱梁横梁设计当桥梁主道设计过宽时，必须优化车道钢结构宽箱梁，在设计中，重点满足其竖向计算要求，对于横梁的跨径，需要从支座间双悬臂简支梁的计算中得知，在支座处可采取竖向加劲肋相关措施，当竖向加劲肋不能满足要求时，考虑横向加劲肋，其计算措施与纵向计算措施相仿。
2.5施工人孔的设置桥梁的整体设计中，其不可忽视的一环是人孔的设置，通常情况下，人孔是为了方便施工，在桥梁箱梁顶板和腹板上开设。顶板施工人孔的具体位置可设置在1.5跨径处，而腹板的施工人孔的具体位置必须设置在应力相对薄弱的地方，比如简支梁，其腹板施工人孔可设置在跨中，而连续梁，必须精确计算剪力，选取剪力最小处。有时候人孔的设计不止一个，不能将所有人孔分布在相同断面，采取错开设置。当应力较大的地方必须加设施工人孔，必须采取加强措施。
2.6结构内力计算结构内力计算是以边孔采用单悬臂，中孔采用简支挂梁作为结构的计算模式。将桥梁纵向划分为多个单元，并对每个单元截面进行编号，然后进行项目原始数据输入。输入的数据信息有：项目总体信息、单元特征信息、预应力钢束信息、施工阶段和使用阶段信息。按全预应力构件对全桥结构安全性进行验算，计算的内容包括预应力、收缩徐变及活载计算。桥台处滑动设支座，桥墩处设固定支座，碇梁与挂梁间存在主从约束，挂梁一端设置固定支座，另一端设滑动支座。牛腿计算是对预先设计好的牛腿尺寸和配筋分4个步骤进行验算：①牛腿的截面内力。求出截面内力后对各种危险截面进行强度校核；②竖截面验算。按偏心受压杆件验算抗弯和抗剪强度或按受弯杆件验算强度；③最弱斜截面验算。求得最弱斜截面位置后，按偏心受拉构件验算此斜截面的强度；④45°斜截面的抗拉验算。
三、结语
我国基础建设的加快，带动了桥梁技术的长足发展，在当前形势下，桥梁钢结构的整体应用也十分广泛，主要是在设计过程中的优化，才能确保桥梁钢结构的整体性、稳定性。必须从整体性角度出发，全面分析桥梁受力情况，加强焊接形式的优化设计，才能保障桥梁钢结构的整体质量。
