吳 軍,潘偉華

（1.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000;2 連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 連云港 222000）

0 引言

在橋梁設(shè)計過程中應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計法來重點完善設(shè)計方案和體系，明確具體設(shè)計工作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，完善結(jié)構(gòu)化設(shè)計的方案和計劃[1-2]，通過有效的設(shè)計方式，提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性，提高橋梁的安全性和耐久性。

1 工程概況

長滸大橋位于蘇州城北路（長滸大橋～婁江快速路段）改建工程設(shè)計起點，西側(cè)緊鄰長江路與G312交叉口（距離約230 m），東側(cè)距離虎林路與G312交叉口距離約270 m，跨越升級改造后的蘇南運河?，F(xiàn)狀長滸大橋分左右兩幅橋，其中左幅橋修建于1991年，右幅橋修建于2000年。橋梁全長210 m，跨徑布置為（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，橋面全寬30.0 m，兩幅橋之間設(shè)變形縫?，F(xiàn)狀橋面橫向布置為2.0 m（人行道及欄桿）+3.5 m（非機動車道）+8.75 m（機動車道）+1.5 m（中分帶）+8.75 m（機動車道）+3.5 m（非機動車道）+2.0 m（人行道及欄桿）=30.0 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，左幅引橋為T梁，右幅引橋為空心板梁橋，如圖1所示。

圖1 長滸大橋平面圖

2 橋梁工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用的原則

2.1 科學(xué)性

橋梁設(shè)計工作中采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方式，應(yīng)遵循科學(xué)性的基本原則，合理進行橋梁結(jié)構(gòu)的選擇，優(yōu)化配置不同橋梁結(jié)構(gòu)元素和要素，避免發(fā)生工程項目質(zhì)量問題。同時，在橋梁設(shè)計期間應(yīng)避免整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計出現(xiàn)問題，科學(xué)進行橋梁不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析和優(yōu)化，最大限度降低故障問題或安全問題的發(fā)生率，為改善道路交通系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀夯實基礎(chǔ)。與此同時，在橋梁工程設(shè)計的過程中采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方式，還需組織專家小組和技術(shù)小組進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計成果的探討和研究，深入分析整體設(shè)計內(nèi)容的科學(xué)性和合理性[3]。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容不科學(xué)或不合理，應(yīng)及時進行調(diào)整與處理，確保能夠提升橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計科學(xué)性，保障設(shè)計工作的水平。

2.2 持續(xù)性

近年來，我國交通運輸車流量不斷增加，橋梁建設(shè)工程受到廣泛重視，主要因為橋梁的設(shè)計和建設(shè)對交通系統(tǒng)的運行會產(chǎn)生直接影響。該情況下應(yīng)按照橋梁對交通系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，遵循持續(xù)性設(shè)計的原則要點，考慮道路和橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，按照道路和橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點與受力面積，合理進行不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計，維護整體橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，延長橋梁工程的應(yīng)用壽命。

2.3 簡約性

橋梁設(shè)計的工作中遵循簡約性的基本原則，主要是對結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容進行簡化，通過簡約的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳遞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，及時進行外部負荷和內(nèi)部應(yīng)力的分散，提升整體結(jié)構(gòu)的強度，減少工程施工材料的應(yīng)用量和施工建設(shè)成本，提高項目經(jīng)濟和社會效益。

3 橋梁工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用的措施

3.1 斜拉索結(jié)構(gòu)化設(shè)計

為確保橋梁工程結(jié)構(gòu)的良好施工建設(shè)，在該工程項目中進行斜拉索的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，如表1所示。整體橋梁工程項目設(shè)計24對斜拉索，每對斜拉索的兩根拉索間距控制在一定范圍內(nèi)，在中央分隔帶中平行設(shè)計扇形索面，其中邊跨拉索C6-C12和其他拉索在主梁上的錨固點間距、拉索在主塔上錨固點豎向間距，也必須要進行合理的設(shè)計。在斜拉索設(shè)計時主要設(shè)置雙層熱劑、皮衣護套和鋼絲拉索體系呈現(xiàn)半平行的狀態(tài)，所設(shè)計的護套采用密度很高的聚乙烯材料，具備一定的防風(fēng)、防雨、防震性能，內(nèi)側(cè)設(shè)計成為黑色，外部設(shè)計成為彩色。其中，鋼絲使用直徑為7 mm的鍍鋅強度較高的鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強度控制為1 670 MPa，模具部分設(shè)計成為和拉索規(guī)格互相對應(yīng)的冷鑄構(gòu)件，為與掛籃施工相互適應(yīng)，在斜拉索兩側(cè)區(qū)設(shè)計張拉端錨具，安裝的過程中塔內(nèi)進行張拉處理，主梁內(nèi)設(shè)計錨固結(jié)構(gòu)。在斜拉索結(jié)構(gòu)化設(shè)計方面，單幅橋梁共設(shè)計48根，劃分成為不同的類型，將結(jié)構(gòu)安全系數(shù)控制為2.5左右。

表1 斜拉索的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

3.2 主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計

橋梁主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計的過程中，主要將結(jié)構(gòu)劃分成為不同的設(shè)計元素，如表2所示。主梁結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計的過程中，設(shè)置單箱雙室斜腹板箱梁類型的截面形式，中心線位置的梁體高度、頂板的寬度、底板的寬度、懸臂的長度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，且箱梁頂板的位置需要設(shè)計單向橫坡，底板的部分處于水平狀態(tài)。且在設(shè)計的過程中，設(shè)置前支點掛籃懸澆的形式主要分成標(biāo)準(zhǔn)段和支架現(xiàn)澆段，其中的標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計方面，按照實際情況設(shè)置箱梁頂?shù)装宓暮穸?、中腹板和斜腹板的厚度、懸臂端和根部的厚度[4-5]。支架現(xiàn)澆設(shè)計的過程中，主要是在主塔根部和梁端的位置，增加頂板和底板局部厚度、主塔根部位置中腹板局部厚度。設(shè)計工作中應(yīng)按照主梁結(jié)構(gòu)特點和具體情況，提出主梁結(jié)構(gòu)的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計要求。在完成主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計后，校驗各類參數(shù)的合理性和科學(xué)性，切實保障主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計水平和效果，避免因為主梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計問題而導(dǎo)致整體設(shè)計效果降低，進一步提升橋梁的主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計水平。

表2 主梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計參數(shù)

另外，在主梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中，將懸澆標(biāo)準(zhǔn)段的長度設(shè)計為7 m，橫梁的位置和斜拉索錨固點的位置之間相互對應(yīng)。將橫梁的厚度設(shè)計為35 cm，邊跨壓重階段的橫梁和斜拉索相互之間的距離增加設(shè)計到3.5 m，橫梁的厚度增加設(shè)計到50 cm。過渡墩位置的主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，將端橫梁的厚度設(shè)置為2 m，主塔位置設(shè)計厚度為3 m的橫梁。整體的主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計C50等級的混凝土，合理進行縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力體系的設(shè)計，對于橫向和縱向的預(yù)應(yīng)力，設(shè)置直徑為15.2 mm的鋼絞線，構(gòu)建群錨類型的錨固體系。在管道成孔方面則設(shè)置金屬波紋管材料，而豎向預(yù)應(yīng)力和施工過程中的臨時預(yù)應(yīng)力則設(shè)計直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋材料，并設(shè)置YGM扎絲錨固。

3.3 索塔結(jié)構(gòu)化設(shè)計

索塔結(jié)構(gòu)主要設(shè)計成為寶塔形狀，涉及上塔柱的部分、中塔柱的部分、下塔柱部分和下橫梁部分。設(shè)置C50等級的混凝土，整體高程為69.457 m，上部分高32.106 m，中間部分高23.984 m，下部分高13.457 m，中間和下部分塔柱橫橋，向著外側(cè)區(qū)域傾斜率為1∶2.5和1∶2.341，在橋面上索塔的高度是56 m。塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，斷面設(shè)計成為空心箱的形狀，上塔柱設(shè)計為單箱雙室的結(jié)構(gòu)，尺寸從之前的4 m×3.8 m設(shè)計成為8.666 m×4.215 m，斜拉索前方部位塔壁厚度設(shè)計為0.9 m，側(cè)面部分厚度設(shè)計為0.55 m，中間腹板的厚度設(shè)置為0.75 m。中下塔柱設(shè)計成為單箱單室斷面，具有不對稱的特點，尺寸設(shè)計為2.93 m×4.507 m，中塔柱的壁厚度設(shè)計為0.55 m，下塔柱則設(shè)計成為實心斷面。

由于上塔柱的荷載會通過中塔柱和上塔柱之間相互連接的位置傳遞給兩個塔柱，這個位置的受力非常復(fù)雜，為避免因為受力復(fù)雜而出現(xiàn)問題，需要設(shè)計厚度為1.5 m的橫隔板，達到結(jié)構(gòu)加強的目的。下塔柱和中塔柱之間銜接的位置也要設(shè)計3 m×3 m的橫梁，在塔頂?shù)膮^(qū)域設(shè)計避雷針、航空障礙燈基礎(chǔ)設(shè)施，橋面以上2 m的位置為中塔柱設(shè)計進入孔。在設(shè)計的過程中上塔柱斜拉索錨固區(qū)域設(shè)置張拉錨塊結(jié)構(gòu)，塔壁周圍設(shè)計U形的預(yù)應(yīng)力鋼束，在一定程度上能夠起到抵抗斜拉索水平分力的作用，且U形預(yù)應(yīng)力鋼束需要沿著塔的方向交錯性設(shè)置。設(shè)計直徑為15.2 mm的鋼絞線預(yù)應(yīng)力材料，配置群錨錨固體系，在管道成孔方面設(shè)計塑料波紋管材料。為了提升橋梁通行和維護的便利性，在上塔柱的塔頂和中塔柱橋面的位置都設(shè)計能夠在索塔進出的通道，塔柱結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)和隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計相互連通的出入口，索塔的內(nèi)部設(shè)計安全且非常簡易的爬梯，如圖2所示，應(yīng)確保整體索塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平和效果，預(yù)防出現(xiàn)索塔設(shè)計的問題，提升結(jié)構(gòu)化設(shè)計效果，確保整體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作質(zhì)量的提升。

圖2 索塔結(jié)構(gòu)通道的設(shè)計

3.4 結(jié)構(gòu)受力和強度的設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)受力的設(shè)計。按照橋梁荷載計算結(jié)構(gòu)橫向受力，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，分析車輛荷載效應(yīng)，結(jié)合公式進行計算：車輛荷載效應(yīng)×0.7系數(shù)。同時，根據(jù)斜拉索在主梁中錨固點的距離計算橋梁車道板的橫向跨度，極限承載力的計算可以按照國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的公式進行驗算，在公式內(nèi)，根據(jù)設(shè)計安全等級為二級進行橋梁結(jié)構(gòu)重要系數(shù)的取值，也就是1.0，人群荷載效應(yīng)組合系數(shù)取值0.8，確保整體橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，將相關(guān)數(shù)據(jù)值代入公式內(nèi)，獲得計算的結(jié)果，明確每米所需要設(shè)計鋼筋的數(shù)量，以受力分析為基礎(chǔ)提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

（2）結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計。橋梁結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的工作中，應(yīng)按照不同結(jié)構(gòu)的特點，合理進行強度的計算和分析。例如：主梁承受最低彎矩的情況下，應(yīng)按照公式計算參與受壓作用的寬度：6×板的厚度。根據(jù)規(guī)范要求，計算構(gòu)件正截面抗壓承載力參數(shù)，合理進行主梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)承載力和安全性符合要求。同時，在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的工作中，按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計的特點全面驗證分析不同結(jié)構(gòu)的強度情況，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析、檢驗和認證，提出能夠提升整體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計效果和水平的建議，改善整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的參數(shù)指標(biāo)，切實保障不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計效果和水平，進一步發(fā)揮結(jié)構(gòu)強度設(shè)計措施的價值和作用，促使橋梁工程結(jié)構(gòu)強度的提升，增強強度的基礎(chǔ)上保障橋梁工程項目的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，最終達到高效化、高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的目的。

另外，還需重點進行橋梁截面最低尺寸的控制，為預(yù)防發(fā)生斜截面斜壓破壞的問題，應(yīng)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行橋梁鋼筋混凝土等各類結(jié)構(gòu)截面受彎構(gòu)件的控制，使截面最低的尺寸能夠在合理范圍內(nèi)，滿足支點截面的要求：

式中，Qt——橋梁截面強度的函數(shù)；R——混凝土的抗壓強度；h——截面高度；b——截面長度。通常情況下，在支點的位置剪力最高，等截面梁支點截面設(shè)計需要符合公式的要求，確保整體梁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度合格。但是在變截面梁設(shè)計的過程中，由于梁高會發(fā)生變化，因此，需要采用數(shù)學(xué)分析的方式進行研究，準(zhǔn)確判斷是否和要求相符。假設(shè)Qt(y)（梁高跨長）是任何點位截面的最高剪力值，數(shù)據(jù)值沿著橋梁跨度長度y發(fā)生改變，又被稱作是最高的剪力函數(shù)，這個函數(shù)的曲線方程是橋梁剪力包絡(luò)圖，由于屬于變截面梁，梁體結(jié)構(gòu)高度是跨度長度y的函數(shù)，因此屬于y的函數(shù)，如果，F(xiàn)(y)指的就是梁體結(jié)構(gòu)的函數(shù)，那么變截面梁的截面最低尺寸就應(yīng)按照公式進行控制：Qt（y）≤F(y)。

4 結(jié)語

橋梁工程項目設(shè)計的質(zhì)量和水平直接影響整體橋梁工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，合理選擇橋梁設(shè)計的方式方法勢在必行。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計法的應(yīng)用，可以通過對橋梁結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，促使整體工程項目的良好建設(shè)和發(fā)展。因此，在橋梁設(shè)計的過程中，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)化設(shè)計方式的運用，提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和質(zhì)量。