【优秀论文文献】谈桥梁钢结构的整体设计策略.pdf

谈桥梁钢结构的整体设计策略谈桥梁钢结构的整体设计策略 陈永宏 1 李建宁 2 于荣国 3 1大连宏成钢结构设计咨询有限公司 辽宁116023 2,3 大连日中技研有限公司 辽宁116023 摘摘摘摘要要要要：随着公路桥梁建设的不断发展，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策略。 关键词关键词关键词关键词：桥梁；钢结构；整体设计 中图分类号：k928文献标识码： a 前前言言 近年来，随着我国城市化进程的不断加快，公路桥梁的建设也随之得到了发 展，在新时代发展的今天，人们对于公路桥梁的质量也有了越来越高的要求。 钢 结构由于具有质轻、刚度大、稳定性高等特点被广泛应用在桥梁建设中，且取得 了显著的成绩， 例如南京三桥等。桥梁的建设主要是为了缓解交通的拥堵以及城 市的空间压力，在桥梁的建设中，施工人员可以将型钢与结构钢相互焊接，从而 保证桥梁工程的质量，达到设计要求的承载力，充分发挥桥梁结构的使用功能， 延长其使用寿命。 一一结构桥梁整体设计理念概述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： 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。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、 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，euro code) 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。 2、 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。 3、构桥梁设计的应用 钢结构为桥梁设计所重用，是因为其有强度高而质量轻的特点，同时在抗压 性和抗拉性能上较之其他材料结构更佳，且在外观上相比于混凝土而言更为直 观，其强度等级也更高，不仅如此，在考虑到施工周期问题上，钢结构在较之混 凝土桥的施工上，也有利于施工周期的缩短。鉴于诸多优点，现阶段钢结构桥梁 设计应用很多，如在城市立交桥上，如大跨径海、江、河桥梁等，我国的长江大 桥、杭州湾大桥等，由于混凝土结构满足不了大跨径要求，故而只能使用钢结构 设计。不仅是我们国家，在世界范围内，钢结构使用于桥梁设计中都是十分广泛 的。 二二梁钢结构整体设计策略梁钢结构整体设计策略 1、抗倾覆稳定设计 在实际工作中，合理的采用钢结构能够提高桥梁工程的质量，增强其强度， 但是在对一些小半径、 多车道的设计与施工中，设计师必须要对其横向抗倾覆深 入研究。 在过去的桥梁工程施工中，往往会因为设计不够合理以致于桥梁的某部 位发生倾覆现象，这是由于在钢结构施工中，桥梁跨度大，连续钢梁的半径小， 并且该钢梁的宽度小于桥面的宽度， 这种现象就会直接导致桥梁的承载力不够均 匀，从而发生倾覆的现象。所以在桥梁工程的设计过程中，设计师必须要对桥梁 的跨度以及钢梁的半径、宽度进行合理的计算，深入分析横梁的受力情况，只有 这样才能够满足桥梁的受力平衡，防止发生倾覆。在施工过程中，施工人员可以 在横梁处灌入细砂，这样可以有效提高整个桥梁的稳定性。 2、结构完整性设计要点 桥梁钢结构中因结构受力需要焊接接头型式也会有所不同， 由于接头微观组 织的不均匀性会导致与母材力学性能的差异； 同时由于焊接残余应力焊接变形以 及因构造细节带来的几何应力集中焊接缺陷等因素使焊接接头成为控制部位， 会 对焊接结构完整性带来的影响在满足常规设计要求和使用寿命的前提下应考虑： 针对疲劳或者静力要求来决定焊缝形式，在工艺上作焊接性和可检测性 要求。 关键构造细节设计遵循简洁传力焊接可行不留死角方便安装利于维护的 原则。 根据荷载环境细节按抗疲劳与抗断裂要求作损伤分析和寿命评估。 按焊接缺陷预防，焊接应力与焊接变形焊接收缩量的控制目标确定制造 工艺标准和焊接工艺评定要求。 以损伤监测和维护方法为内容的使用维修要求。 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。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， 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。 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。 5、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： 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；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；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；45斜截面的抗拉验 算。 6、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。 结结语语 综上所述，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