季正迪

蘭州城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

橋梁工程作為公路工程的重要組成，在施工技術(shù)成熟度不斷提高的情況下，施工材料的豐富度也在提高。鋼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量較輕、剛度較大、穩(wěn)定性較強(qiáng)等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。通過整理橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)要點(diǎn)，不僅可以保證橋梁結(jié)構(gòu)相互間承載力穩(wěn)定性，發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)功能性，而且能夠提高橋梁工程質(zhì)量，延長橋梁工程的使用壽命。

1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

從目前的應(yīng)用情況來看，國內(nèi)對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于，能夠保證橋梁工程在預(yù)設(shè)年限內(nèi)可以維持較高安全性與穩(wěn)定性。結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)（BS5400，EURO CODE）中的要求可以得知，我國橋梁的完整性設(shè)計(jì)在考慮橋梁材料性能、制造工藝、安裝方法、機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造以及橋梁使用環(huán)境和定期維護(hù)方式方法等因素后，確定使用年限一般為100年。并且在完整性設(shè)計(jì)活動中，除了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等參數(shù)外，還需要評定損傷和損傷容限斷裂與抗斷裂等相關(guān)問題，以確保實(shí)現(xiàn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的完整性最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 設(shè)計(jì)原則

總結(jié)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中，需要秉持以下設(shè)計(jì)原則：（1）系統(tǒng)性原則，在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮人孔位置、加強(qiáng)肋位置、橫梁尺寸等內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，利用BIM技術(shù)建立的模型，來系統(tǒng)分析這些結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，從而提高設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性，保證設(shè)計(jì)方案的可行性。（2）耐久性原則，鋼結(jié)構(gòu)長期暴露在空氣中，很容易出現(xiàn)銹蝕問題，進(jìn)而影響到鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命?；诖耍阡摻Y(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)活動中，需要做好結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，如合理選擇防腐措施、做好節(jié)點(diǎn)保護(hù)等，從而延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高鋼結(jié)構(gòu)所帶來的綜合效益。（3）經(jīng)濟(jì)性原則，橋梁工程的整體造價(jià)較高，鋼結(jié)構(gòu)作為重要的施工材料，也是成本占比較高的部分?；诖?，在實(shí)踐中需要在考慮結(jié)構(gòu)安全性、質(zhì)量性的基礎(chǔ)上，做好材料經(jīng)濟(jì)性考量，優(yōu)選性價(jià)比較高的鋼結(jié)構(gòu)材料，以降低整體成本支出，保證橋梁工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)策略

2.1 橫向抗傾覆設(shè)計(jì)

在整體性設(shè)計(jì)活動中，橫向抗傾覆設(shè)計(jì)屬于非常重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，其作用是維持結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，避免結(jié)傾覆問題。從目前的實(shí)踐情況來看，科學(xué)使用鋼結(jié)構(gòu)能夠有效提高整個(gè)橋梁工程的施工質(zhì)量，不斷提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但是將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到小半徑、多車道設(shè)計(jì)活動中時(shí)，需要相關(guān)人員對結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆展開深入分析，了解橫梁結(jié)構(gòu)的受力情況，基于分析結(jié)果來完成受力平衡性設(shè)計(jì)，維持鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。通常情況下，橋梁工程的整體跨度相對較大，而連續(xù)鋼梁的半徑相對較小，鋼梁的整體寬度會低于橋面寬度，很容易帶來承載力均勻性不足的情況?；诖?，可利用BIM技術(shù)來建立三維模型，錄入橋梁跨度、鋼梁半徑、寬度等數(shù)據(jù)，基于模型來完成受力分析，以維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡性。對于部分特殊部位，也會通過在橫梁位置處灌入細(xì)砂，使該結(jié)構(gòu)的受力情況得到改善，以提升整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)施工階段，會使用焊接的方式來拼接鋼結(jié)構(gòu)，焊接質(zhì)量也會對整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和完整性帶來直接影響。根據(jù)以往的受力分析經(jīng)驗(yàn)可以得知，焊接結(jié)構(gòu)接頭位置，很容易受到不同位置的負(fù)荷，使得結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力存在較大差異。而該差異情況無法通過設(shè)計(jì)的方式完全消除，從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)接頭位置出現(xiàn)形變的情況，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的完整性。在具體設(shè)計(jì)活動中，也需注意以下幾點(diǎn)：（1）基于焊接結(jié)構(gòu)的具體情況來展開設(shè)計(jì)，而且在設(shè)計(jì)前也需要基于試驗(yàn)結(jié)果來確定鋼結(jié)構(gòu)靜力以及對應(yīng)的疲勞等級，從而篩選出最為恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ㄟM(jìn)行處理，以提高焊接結(jié)果的科學(xué)性。（2）在整個(gè)焊接設(shè)計(jì)活動中，需要做好細(xì)節(jié)方面的綜合性分析，考慮到焊接后該部位的承載力平衡情況，盡量降低焊接后該部位的應(yīng)力，以提高焊接設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性。（3）在設(shè)計(jì)活動中，也需要做好焊接后質(zhì)量檢查方法的選擇，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理存在的焊接質(zhì)量問題，提高焊接結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

2.3 人孔合理化設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)施工階段，人孔的主要作用是便于后續(xù)施工活動的進(jìn)行，人孔位置、尺寸的合理性也會對鋼結(jié)構(gòu)施工活動的推進(jìn)產(chǎn)生直接影響。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得知，人孔會集中布置在鋼結(jié)構(gòu)的箱梁頂板與腹板位置，具體布置位置也需要綜合考慮荷載和受力情況，以提高結(jié)構(gòu)布置的合理性，利于后續(xù)施工活動的進(jìn)行。在具體設(shè)計(jì)活動中，也需注意以下幾點(diǎn)：（1）基于鋼結(jié)構(gòu)的具體布置情況來展開設(shè)計(jì)，而且在設(shè)計(jì)前也需要基于試驗(yàn)結(jié)果來確定整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為薄弱的位置，在對比分析后從中篩選出最合適的施工位置，保證人孔布置位置的科學(xué)性。（2）在整個(gè)布置活動中，不允許將人孔布置在相同斷面位置處，需要采取錯(cuò)開布置的方式進(jìn)行布置。同時(shí)還需要做好細(xì)節(jié)方面的綜合性分析，考慮到人孔設(shè)置后該部位的承載力平衡情況，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，保證人孔布置結(jié)果的科學(xué)性。（3）在設(shè)計(jì)活動中，如果整個(gè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的位置也需要布置人孔，那么在進(jìn)行布置的同時(shí)，還需要計(jì)算增加后人孔應(yīng)力的波動情況，并提前擬定好相應(yīng)的加強(qiáng)措施，以提升整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的穩(wěn)固性，保證施工后結(jié)構(gòu)的安全性。

2.4 加勁肋合理化設(shè)計(jì)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)施工階段，加勁肋的主要作用是進(jìn)一步提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。加勁肋位置、尺寸的合理性也將影響到鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻性、整體穩(wěn)固性。基于已有設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得知，加勁肋會集中布置在鋼結(jié)構(gòu)支座或有集中荷載的位置，具體布置位置也需要在科學(xué)分析整個(gè)結(jié)構(gòu)受力情況后再決定。在具體設(shè)計(jì)活動中，也需注意以下內(nèi)容：（1）綜合分析鋼結(jié)構(gòu)的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗(yàn)結(jié)果來確定整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為集中的位置，在對比分析后從中篩選出最合適的位置來布置加勁肋，使加勁肋的應(yīng)用價(jià)值可以得到充分體現(xiàn)。（2）在整個(gè)布置活動中，會將加勁肋固定在具有穩(wěn)定支撐作用的位置，如橫梁、縱梁等部位。而且加勁肋也會根據(jù)實(shí)際情況，選擇布置橫向或縱向布置，過程中也會考慮加勁肋整體的承載平衡性，起到提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性的作用。（3）在設(shè)計(jì)活動中，如果確定整個(gè)結(jié)構(gòu)中需要增設(shè)加勁肋，那么也會優(yōu)先使用豎向加勁肋，而具體的布置距離，也需要考慮整個(gè)腹板結(jié)構(gòu)的厚度和剪應(yīng)力。若是單一的加勁肋較難滿足加固要求，還需要在原有基礎(chǔ)上增設(shè)水平加勁肋，以此來提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)用后的可靠性。

2.5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力科學(xué)計(jì)算

在設(shè)計(jì)活動中，為了提高設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性，也需要在前期做好結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算工作，依據(jù)科學(xué)計(jì)算結(jié)果來為后續(xù)施工的進(jìn)行提供可靠依據(jù)。一般情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算是以邊孔采用單懸臂，中孔采用簡支掛梁作為結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式。具體的計(jì)算階段需注意以下內(nèi)容：（1）對于橋梁縱向分布情況進(jìn)行分析，并將其細(xì)分為多個(gè)單元，做好各個(gè)單元截面的編號工作，完成后進(jìn)行項(xiàng)目數(shù)據(jù)錄入，并且做好數(shù)據(jù)信息的分類統(tǒng)計(jì)，以提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的科學(xué)性。（2）在計(jì)算活動中，會基于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件來展開結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算，具體的驗(yàn)算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力、收縮徐變情況、結(jié)構(gòu)活載波動等。而且會在橋臺位置處提前布置好滑動支座，橋墩位置也會布置固定支座，具體參數(shù)也需要做好科學(xué)計(jì)算，以保證設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性。（3）在對牛腿進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要利用建立的模型來計(jì)算牛腿尺寸與配筋率，同時(shí)在計(jì)算中也需要對牛腿截面內(nèi)力、豎截面、最弱斜截面、45°斜截面抗拉性展開科學(xué)計(jì)算，為設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

2.6 鋼箱梁橫梁設(shè)計(jì)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)施工期間，鋼箱梁橫梁的主要作用是分擔(dān)整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力，以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。橫梁尺寸、布置間距合理性也將影響到鋼結(jié)構(gòu)荷載穩(wěn)固性。在具體的布置活動中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力情況后再確定具體位置。具體設(shè)計(jì)活動中，也需注意以下幾點(diǎn)：（1）綜合分析鋼結(jié)構(gòu)施工后的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗(yàn)結(jié)果來確定鋼箱梁橫梁的布置間距，同時(shí)對于鋼箱梁橫梁尺寸進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，將鋼箱梁橫梁應(yīng)用價(jià)值充分體現(xiàn)出來。（2）在整個(gè)鋼箱梁橫梁布置活動中，需要對豎向結(jié)構(gòu)展開科學(xué)計(jì)算，而且對于橫梁的跨徑需進(jìn)行科學(xué)性分析，同時(shí)也需要做好支座間雙懸臂簡支梁計(jì)算工作，必要時(shí)也會在支座位置布置豎向加勁肋，而且豎向加勁肋無法滿足應(yīng)用要求時(shí)，也需要在該部位增設(shè)橫向加勁肋，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)布置結(jié)果的科學(xué)性。

2.7 鋼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需做好鋼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)工作，保證材料設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性，提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。在實(shí)際設(shè)計(jì)活動中也需注意以下幾點(diǎn)：（1）綜合分析橋梁鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的荷載分布情況，依據(jù)仿真模型試驗(yàn)結(jié)果來確定所需要的鋼結(jié)構(gòu)材料，明確鋼結(jié)構(gòu)材料的具體尺寸、強(qiáng)度要求、截面抗拉強(qiáng)度等參數(shù)，以提高所選鋼結(jié)構(gòu)材料的合理性，保證其應(yīng)用價(jià)值的順利體現(xiàn)。（2）在整個(gè)材料的設(shè)計(jì)活動中，也需要做好不同部位應(yīng)力分布情況的考量工作，如特殊部位需要增設(shè)相應(yīng)尺寸的鋼結(jié)構(gòu)，并且也會利用模型來分析結(jié)構(gòu)整體的承載平衡性，起到提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性的作用。（3）在設(shè)計(jì)活動中，還需要做好材料細(xì)部設(shè)計(jì)，并且也需要做好輔助材料（如涂料、焊接材料等）的科學(xué)選擇，以此來提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，提升設(shè)計(jì)方案的可行性。

2.8 結(jié)構(gòu)防腐性設(shè)計(jì)

除上述提到的設(shè)計(jì)內(nèi)容外，在實(shí)際應(yīng)用中也需要做好結(jié)構(gòu)防腐性設(shè)計(jì)，目前經(jīng)常使用到的防腐體系如表1所示。并且在實(shí)際設(shè)計(jì)活動中也需注意以下內(nèi)容：（1）綜合分析橋梁鋼結(jié)構(gòu)所處區(qū)域的實(shí)際情況，根據(jù)獲取到的分析結(jié)果，在比對表格中內(nèi)容后，選出最為合適的防腐體系，以提高防腐體系設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性，延長結(jié)構(gòu)使用后的生命周期。（2）在整個(gè)防腐體系的設(shè)計(jì)活動中，也需要做好不同部位防腐層厚度、施工工序的科學(xué)設(shè)計(jì)，以提高所使用防腐體系的應(yīng)用價(jià)值[1]。（3）在設(shè)計(jì)活動中，還需要做好輔助工序的處理工作，如銹跡處理要求、表面處理要求等，提高所擬定設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性。

表1 防腐體系對比分析

3 提高橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量的措施

3.1 做好基礎(chǔ)資料整理

做好基礎(chǔ)資料整理工作，有利于橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)活動的有序推進(jìn)，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。在具體實(shí)踐中所需整理的內(nèi)容如下：（1）氣候資料整理，對于橋梁工程所在位置的氣候變化情況進(jìn)行整理，并且利用評估體系，來分析該區(qū)域氣候環(huán)境的腐蝕特征，利于后續(xù)防腐措施的科學(xué)選擇。（2）水文資料整理，針對橋梁工程所在位置的水文資料（地下水水位、地表水流動情況、地表徑流變道情況、歷史雨季最大流量等）進(jìn)行整理，以此來確定鋼結(jié)構(gòu)的承載要求，使其可以滿足該區(qū)域的使用要求[2]。（3）地質(zhì)資料整理，包括地質(zhì)演變規(guī)律、是否處于地震帶位置、節(jié)理發(fā)育情況等，以此來確定橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)的抗震要求，利于鋼結(jié)構(gòu)材料選擇活動的進(jìn)行，保證所使用材料的合理性。

3.2 加強(qiáng)方案可行性論證

加強(qiáng)方案可行性論證，可以減少方案實(shí)施過程中的施工變更問題，減少方案執(zhí)行過程中帶來的成本支出。具體應(yīng)用中的論證內(nèi)容如下：（1）結(jié)構(gòu)沖突性，利用BIM技術(shù)來建立三維模型，在模型中進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，根據(jù)碰撞試驗(yàn)來消除結(jié)構(gòu)沖突問題，以提高鋼結(jié)構(gòu)、其他結(jié)構(gòu)布置結(jié)果的合理性，減少后期施工變更問題。（2）質(zhì)量性和安全性分析，根據(jù)已經(jīng)建立的三維模型，對各結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，尤其是應(yīng)力集中的位置，需要做好結(jié)構(gòu)承載性分析，若不滿足要求也需通過增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方式，來提高整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)布置結(jié)果的質(zhì)量性與安全性[3]。（3）經(jīng)濟(jì)性分析，即分析工程所帶來的綜合效益，并在綜合多方面因素后來優(yōu)化相關(guān)內(nèi)容，以提高工程施工后所帶來的綜合效益。

4 結(jié)束語

綜上所述，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)活動中，需要綜合考慮多項(xiàng)影響因素，在客觀分析這些內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性之后，完成設(shè)計(jì)內(nèi)容的優(yōu)化與完善，提高設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)在設(shè)計(jì)活動中，也可以積累橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而為設(shè)計(jì)體系的不斷完善提供可靠依據(jù)。