陳瑾、何文進

（江西贛北公路勘察設(shè)計院，江西 九江 332000）

0 引言

近年來，在我國汽車數(shù)量不斷增加的背景下，橋梁工程所承受的荷載量也不斷增加。在橋梁設(shè)計環(huán)節(jié)，為保證橋梁運行的安全性，提高橋梁的耐久性，必須不斷提高橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計水平。因此，在橋梁設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應(yīng)嚴格遵循國家標準與行業(yè)規(guī)范，保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性滿足設(shè)計規(guī)范，從而提升橋梁的穩(wěn)定性與安全性。

1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)而言，它的組成是通過多個不同的小塊鋼結(jié)構(gòu)焊接在一起，構(gòu)成最為直接的受力系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)形式的作用在于提高橋梁的安全性及耐久性。一般來說，橋梁的質(zhì)量會在一定程度上受到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計效果的影響。在橋梁項目的開展過程中要確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的完整性，就需要按照相關(guān)的標準設(shè)計相應(yīng)的參數(shù)，這樣才能保證橋梁工程的整體質(zhì)量。在橋梁項目的最初設(shè)計方案中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計可能存在一定的誤差，若在后續(xù)環(huán)節(jié)未能將此類問題妥善解決，就會為橋梁工程留下安全隱患，橋梁運營過程中隨著時間的不斷推移，橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能就會出現(xiàn)各種裂縫，嚴重時甚至會出現(xiàn)坍塌問題，這會對交通通行安全造成很大影響。為杜絕上述問題，在橋梁設(shè)計階段，需要做好橋梁完整性設(shè)計方案確定，通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提升鋼結(jié)構(gòu)的完整性及穩(wěn)定性。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不足

2.1 設(shè)計不規(guī)范

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁項目建設(shè)的過程中，所有工序都是按照設(shè)計方案進行，設(shè)計方案是否合理會直接影響橋梁鋼結(jié)構(gòu)的性能，同時也會影響橋梁工程的建設(shè)進度。根據(jù)當前分析可以了解到，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段中，由于個別設(shè)計人員未能深入工程現(xiàn)場做好相關(guān)的考察，在未完全掌握設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上套用以往的設(shè)計經(jīng)驗進行設(shè)計，這就給鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量造成影響。同時，在材料選擇時對新材料的應(yīng)用沒有經(jīng)過系統(tǒng)性的分析，容易出現(xiàn)材料取值不當?shù)葐栴}，此類問題存在就會給橋梁鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量造成很大的影響。

2.2 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程而言，在設(shè)計環(huán)節(jié)要明確鋼結(jié)構(gòu)的焊接方式。在鋼結(jié)構(gòu)焊接時焊接方式與焊點控制質(zhì)量高低會受到焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，一般而言在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時若鋼結(jié)構(gòu)焊接的形式確定不夠科學，或焊接位置的設(shè)計溫度、焊接設(shè)計參數(shù)超過既定規(guī)范就會給母材造成影響，容易出現(xiàn)母材變脆等問題，從而對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可塑性造成負面影響，進而容易產(chǎn)生嚴重的結(jié)構(gòu)變形問題，這也是結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的主要原因。

2.3 防腐銹設(shè)計不規(guī)范

橋梁工程多數(shù)處于露天環(huán)境下，在長期的使用過程中，不可避免地會受到自然因素的影響，例如：濕度會讓鋼材極易被銹蝕。如果鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況嚴重，腐銹程度超出規(guī)定標準，則會大大降低其承載性能，影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。鋼材銹蝕的部位極易出現(xiàn)斷裂的問題，甚至會造成嚴重的塌陷事故，嚴重威脅橋梁運行的安全性。但個別設(shè)計人員在確定設(shè)計方案時，對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題不夠重視，鋼材防腐厚度設(shè)計過于薄弱，同時防腐材料的選擇不夠科學，這種問題會給鋼結(jié)構(gòu)性能造成一定的影響。

2.4 忽略材料細節(jié)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員若未能全面有效地落實細節(jié)設(shè)計工作，也會導致橋梁運行時發(fā)生各種病害。比如，設(shè)計人員在選擇鑲嵌結(jié)構(gòu)形式時，沒有做好裂縫控制容易使結(jié)構(gòu)部件的性能受到影響。如果鑲嵌部分不合理，橋梁在運行過程中因受到持續(xù)性的作用力會出現(xiàn)裂縫病害，在裂縫病害不斷擴大背景下，橋梁會產(chǎn)生變形情況，嚴重時會導致鋼結(jié)構(gòu)損壞。

3 橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計方案

3.1 科學開展抗傾覆設(shè)計

橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的工作量比較大，加之目前的橋梁工程普遍規(guī)模較大，使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜性更高。特別是在一些半徑較小的橋梁設(shè)計中，對橋梁結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆性要求比較高。因此，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要從以下兩個方面做好設(shè)計：

3.1.1 抗傾覆設(shè)計的環(huán)節(jié)中，要想提升抗傾覆性，就需要加強橋梁設(shè)計環(huán)節(jié)的仿真模擬計算。一般來說，橫向抗傾覆設(shè)計要嚴格落實受力條件分析，掌握傾覆荷載參數(shù)，分析空間影響，確定具體的結(jié)構(gòu)和約束信息，保證結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能合格，同時要消除不良受力條件的影響，提升鋼結(jié)構(gòu)性能。

3.1.2 如果橋梁跨徑尺寸較大，在設(shè)計方案確定時，并未綜合分析多個方面要求，或相關(guān)參數(shù)考慮不全面，就會出現(xiàn)小半徑曲線加寬以及一聯(lián)多孔跨位問題，很容易導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。因此，如果橫向抗傾覆方面有問題，需要嚴格落實受力條件的分析，確保受力條件合格；如果現(xiàn)場條件允許，也可以應(yīng)用局部混凝土填實增大壓力的方式提高抗傾覆能力，達到橋梁運行安全性要求。在設(shè)計階段中考慮到鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的工程需求對設(shè)計方法進行優(yōu)化，必要時還可以利用BIM 技術(shù)進行相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

3.2 合理運用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計中，要嚴格根據(jù)焊接設(shè)計規(guī)范要求，做好設(shè)計的管理控制。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)工程的施工，焊接是目前廣泛應(yīng)用的連接方式。因此，在設(shè)計環(huán)節(jié)中，需要采用全自動焊接方式進行焊接，全自動焊接方式可以減少焊點缺陷，可以在一定范圍中提升結(jié)構(gòu)之間的連接質(zhì)量。此外，在焊接時要考慮結(jié)構(gòu)焊接損傷問題與鋼結(jié)構(gòu)受力等多方面問題，在焊接設(shè)計階段要從以下幾個方面做好控制：

3.2.1 對于焊接出現(xiàn)的損傷問題，在一定的程度上與焊接的材料以及焊接技術(shù)有一定的影響，因此在設(shè)計的階段需要全面分析材料的剛性，對施工方案進行優(yōu)化。首先，應(yīng)確定合適的焊接材料，韌性、強度性能都符合要求，且焊接時做好焊接接頭的控制，防止存在焊接缺陷；其次，焊接施工中，嚴格執(zhí)行焊接工藝要求，加強焊接管控，提高焊接水平，防止出現(xiàn)錯焊的問題，消除焊接缺陷，不會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，提高鋼結(jié)構(gòu)連接效果。

3.2.2 設(shè)計人員根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁受力條件、疲勞荷載等情況，選擇最佳的焊接接頭形式，確保承載性能合格。在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須做好細節(jié)方面的分析，因為焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與橋梁受力條件是相互協(xié)調(diào)的，所以在取值上要對取值參數(shù)進行核對，必要時可以采用BIM 技術(shù)開展模擬計算選擇標準的參數(shù)值，以此提升橋梁承載性能。

3.2.3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要做好焊縫質(zhì)量檢測控制，確定具體焊接工藝參數(shù)。首先，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，核心是焊腳尺寸、焊縫尺寸的確定，設(shè)計環(huán)節(jié)加強參數(shù)設(shè)定，保證關(guān)鍵部位強度與性能合格；其次，選擇不同焊接結(jié)構(gòu)，明確焊接接頭形式，還要執(zhí)行焊接工藝方案和標準，保證焊接接頭的抗疲勞性能合格，從而提升橋梁結(jié)構(gòu)性能。最后，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計階段對于一些不可修復的問題，很多設(shè)計單位都選擇焊接進行優(yōu)化設(shè)計，減少設(shè)計問題出現(xiàn)。因此，在焊接設(shè)計階段中要考慮腹板疲勞性問題，要通過優(yōu)化設(shè)計方案，提高整體結(jié)構(gòu)性能。比如，我國的港珠澳大橋，在設(shè)計中選擇使用正交異型板加強焊接質(zhì)量控制，由焊接機器人完成操作，保證焊接工程符合橋梁運行標準。

3.3 注重采取加勁肋設(shè)計

加勁肋作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的一項內(nèi)容，能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，使得各方面的參數(shù)均能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)性能的標準要求。要想使鋼結(jié)構(gòu)的綜合承載性能完全滿足要求，必須提高加強肋的性能。在加勁肋設(shè)計中要遵循如下原則：

3.3.1 根據(jù)需要選擇最佳仿真的形式，準確計算每項數(shù)據(jù)信息，落實參數(shù)控制，符合設(shè)計方案的標準要求；綜合分析橋梁運行情況，掌握受力條件信息。但是，針對一些受力結(jié)構(gòu)比較復雜的項目，相關(guān)的參數(shù)也是無法控制的，若不能掌握結(jié)構(gòu)特性，容易發(fā)生翹曲、變形問題。所以，在設(shè)計中對于加勁肋設(shè)計，應(yīng)該布置符合實際情況需要的加勁板，從而提高結(jié)構(gòu)性能，保證安全性、穩(wěn)定性符合要求。

3.3.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁頂?shù)装宓男阅芊弦?，一般要設(shè)置水平加勁肋。從大量工程經(jīng)驗分析發(fā)現(xiàn)，加勁肋應(yīng)設(shè)置在合理位置上，使得相關(guān)的參數(shù)滿足橋梁抗彎性能的標準，如此才能減少鋼材消耗量，降低項目成本。如果橋梁工程主體結(jié)構(gòu)是豎向承載部分，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)確保豎向加勁肋的設(shè)計參數(shù)符合施工要求。如果選擇上述方式不能達到規(guī)定的要求，還要聯(lián)合設(shè)置橫向加勁肋，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的提升。

3.4 實施焊接完整性設(shè)計

在橋梁受力分析中，必須保證受力條件合理，所以鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計人員應(yīng)該結(jié)合實際需要，選擇適當?shù)暮附臃桨柑岣吆附油暾浴Ｓ捎谑艿胶附右蛩氐挠绊?，相關(guān)結(jié)構(gòu)位置通常會出現(xiàn)性能變化，想要全面消除此類問題和影響，設(shè)計人員需要從以下幾個方面做好控制：一是分析鋼結(jié)構(gòu)疲勞特性，確定合理的焊接工藝方案，讓焊接形式符合焊接功能要求。二是對材料的疲勞特性有足夠的了解，考慮抗裂性方面的要素，明確具體施工作業(yè)標準，才能分析掌握鋼結(jié)構(gòu)橋梁的實際情況，進而可以確定關(guān)鍵部件的影響因素，使得結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量合格。三是鋼結(jié)構(gòu)橋梁在設(shè)計階段，分析完整性因素，簡化設(shè)計方案，為整個工程結(jié)構(gòu)的正常運行提供基礎(chǔ)。四是積極組織開展設(shè)計分析，明確施工的標準和要求，加強焊接控制，提高焊接水平，消除焊接質(zhì)量的問題。五是焊接工作全部完成后要注重各種檢測工作，明確存在的缺陷問題，采取必要的措施進行處理，從而提高焊接的整體質(zhì)量，給橋梁工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

3.5 安全壽命設(shè)計

在橋梁設(shè)計的過程中，鋼結(jié)構(gòu)完整性包含了橋梁安全壽命的設(shè)計。對于鋼結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計是為了結(jié)構(gòu)在一定的使用期間內(nèi)不會出現(xiàn)損壞等問題。因此，在鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計的階段中，基于結(jié)構(gòu)的工作能力、具體要求，在設(shè)計環(huán)節(jié)要使用曲線的形式對其進行應(yīng)用，確保在規(guī)定的使用期間內(nèi)整體結(jié)構(gòu)的安全。在安全壽命設(shè)計環(huán)節(jié)，采用橋梁信息系統(tǒng)進行相關(guān)的設(shè)計工作，由于系統(tǒng)自身具備一定的預測功能，在加載序以及頻率分析之后，結(jié)合裂紋所產(chǎn)生應(yīng)力結(jié)構(gòu)或在定力參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用以S-N 曲線為標準的設(shè)計方式結(jié)合壽命曲線的標準進行有限利用。例如，在損傷絨線設(shè)計的過程中，這種方式主要是以基礎(chǔ)力學為基礎(chǔ)開展工作的，因此要假定構(gòu)件存在裂紋的情況，并且在交換應(yīng)力作用之下可以對其深度方向進行拓展分析，以此獲取評估的使用壽命期限。同時，在抗疲勞設(shè)計的階段還要明確結(jié)構(gòu)的使用條件，再排除外界因素以及應(yīng)力因素影響以后，做好損壞性的取值計算，這樣在掌握相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，才能夠設(shè)計出更為完善的方案。

3.6 其他有效設(shè)計方式

一是重視鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段，由于鋼材具備一定的特殊性，在受到環(huán)境影響因素下就會出現(xiàn)各種腐蝕問題，而這種問題是無法從根本上消除的。所以，在整體設(shè)計中，選擇合理的防腐蝕處理措施尤為重要。具體設(shè)計環(huán)節(jié)需要分析鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境、影響因素等，做好鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計工作。從目前分析，高性能防腐鋁合金鋼以及防腐涂層是非常重要的兩種方式，通過這種方式的應(yīng)用能夠提高防腐效果。在操作階段，由于防腐層能夠有效地減少外界因素的影響，大大提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，避免外在因素產(chǎn)生的各種問題。為了使得防腐蝕效果合格，通常應(yīng)將涂層涂抹在處理完畢的金屬結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)粗糙度合格，才能達到噴涂效果的要求。二是對于部分復雜性高、工程規(guī)模相對較大的鋼結(jié)構(gòu)橋梁來說，設(shè)計人員應(yīng)該結(jié)合橋梁要求確定人孔設(shè)計方案，保證后續(xù)的檢修工作可以順利的實施。一般來說，橋梁人孔設(shè)計在腹板或頂板的部位上，人孔尺寸通常為1.5m 左右。在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計人員綜合分析不同部位上人孔所產(chǎn)生的應(yīng)力變化，盡量選擇較小受力位置設(shè)計。如果橋梁中的人孔設(shè)計數(shù)量較多，將其布置在同一個受力結(jié)構(gòu)面上，就會導致橋梁穩(wěn)定性下降，此時應(yīng)該選擇交錯設(shè)置的方式。三是注重科學選取鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算、分析模式。要想提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體性，設(shè)計人員應(yīng)落實內(nèi)力設(shè)計和分析工作，了解結(jié)構(gòu)受力特點。在結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析中，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)模型，綜合計算各項受力條件和參數(shù)，并且相互驗證分析。在現(xiàn)場施工中，可以根據(jù)需要設(shè)置附屬支承結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的承載性能，達到荷載受力條件的要求，預防發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞的問題，以符合系統(tǒng)工作安全性標準。

4 結(jié)語

綜上所述，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計難度較高，影響的因素較多，如果不能采取有效的應(yīng)對措施，容易導致設(shè)計失效，給工程的總體運行效果帶來負面影響。因此，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的過程需要對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性、安全性進行分析，同時還需要借助信息技術(shù)或是BIM 技術(shù)通過建模的方式確定結(jié)構(gòu)的取值，這樣才能保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)完成性符合設(shè)計要求。