淺析鋼結構橋梁設計理念與方法范文

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摘要:由于鋼結構的抗壓性能較為突出，在橋梁建設時經常會選取鋼結構進行設計施工。文章闡述了鋼結構的完整性設計理念，針對橋梁鋼結構損傷表現形式進行相應的研究，提出了橋梁鋼結構完整性設計方法，從而確保橋梁結構的完整性并最大限度地提升橋梁的質量。

關鍵詞:鋼結構橋梁;完整性設計;結構損傷

1鋼結構的完整性設計理念

橋梁的產生是為了解決人們道路交通障礙確保交通便利。當前常見的鋼結構橋梁，基本都是由不同的鋼結構單元通過螺栓或者焊接處理進行有效連接的一個規模龐大的受力系統，該系統在承載性能以及使用壽命上有著嚴格的標準。設計人員在進行相關的設計時會嚴格遵守相關法律或者行業的規定，確保橋梁強度、剛度以及其安全穩定性符合人們的需求，盡管如此，在橋梁不斷地接受荷載的過程中，仍會產生不同程度的結構損壞。這樣看來，橋梁結構的安全性能以及使用壽命的長短并不是完全由其承載力決定的，破壞橋梁結構的因素有多種，應當綜合分析。近十幾年來，大多數的橋梁事故都是由于結構的局部損傷逐漸擴大至整個橋梁的，但是對于橋梁整體結構來說局部的損傷表現并不明顯，及時發現產生損傷也缺乏較為有效的措施進行修復，所以一旦橋梁出現了局部損傷在缺少相應的補救措施的情況下，在使用過程中損傷也會逐漸擴展，最終造成整體結構的損壞。多起橋梁事故的發生不僅引起了設計人員對局部損傷以及損傷擴展等方面的思考，也讓更多的設計人員轉向對整體結構完整性的設計。而這類事故的發生，在引起設計者對焊接結構損傷、損傷擴展和結構系統失效過程關注的同時，也引起了設計者對如何保證橋梁鋼結構系統完整性的設計。鋼結構橋梁的完整性設計通常涉及兩方面的內容:(1)設計時滿足橋梁強度及剛度的相關要求;(2)充分考慮局部損傷及斷裂等問題進行相關設計。該過程應當充分考慮兩方面要求，確保所設計的橋梁是一個完整統一的系統。橋梁中鋼結構具有較強的承載力以及使用的耐久性，為滿足橋梁具有這兩方面的良好性能，相關的設計人員應當在設計階段充分考慮其結構的整體完整性以及建設材料、施工工藝、安裝、使用、環境等因素的影響，以及橋梁維修養護工作等。只有將各種影響因素綜合全面地進行考慮，才能夠從根本上保證橋梁結構的完整穩定，也就是說，在設計時不僅要滿足強度剛度的要求，還應當將局部損傷的各種情況考慮在內。在橋梁的安裝使用階段，經常會造成鋼結構的內部或者表面形成一定的損傷，并且在橋梁的使用過程中這些損傷也容易受到外部環境等多種因素的影響而逐漸擴展，最后形成難以修復的裂紋，造成了結構的損壞影響了橋梁的整體質量。鋼結構完整性受到損傷程度的影響，當損傷擴大至某一程度之后，鋼結構的完整性也會受到破壞，這一程度可以用損傷容限進行表示。損傷容限指的是鋼結構抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷造成破壞的能力，這一參數也表明了鋼結構在正式使用前就存在一定的瑕疵，但是可以根據橋梁完整性設計的理念來判定各種缺陷對橋梁安全性能的影響程度。

2橋梁鋼結構損傷表現形式

隨著科技的進步，越來越多的高性能材料應用到橋梁的建設中，并且借助焊接工藝進行各種材料的有效連接，因此設計人員應當充分考慮焊接技術對材料的損傷以及損傷程度對鋼結構完整性的影響。通常情況下，橋梁結構受到施工材料、施工工藝等因素的影響，并且在焊接時經常表現在以下5個方面的問題:(1)在焊接時忽視了母材的使用性能，導致非金屬中含有多種雜質;(2)由于金屬結晶過程操作不當，導致焊接部位的相關力學性能降低;(3)焊接質量不佳，導致材料表面出現損傷或者產生裂紋;(4)在設計時忽略了相關細節的考慮導致連接處發生損壞;(5)在材料的使用周期內外界環境發生的重大變化從而產生較大的損傷。

3橋梁鋼結構完整性設計方法

要確保橋梁的完整性，一方面要確保其具有良好的承載力，另一方面要確保其耐久性滿足人們的實際需求，因此需要在設計階段充分考慮這兩方面的內容。

3.1橫向抗傾覆設計

對鋼結構橋梁，尤其是半徑小、車道多的橋梁進行設計時，還應當重點關注其橫向抗傾覆性能的設計，這也是目前橋梁研究的主要方向。設計人員在進行設計時要經過嚴密的計算橫梁的偏心受力，避免發生外部受力而內部缺少相應支撐力的情況，防止橫梁受力不均。同時還可以在橫梁處采用砂石進行一定程度的填方確保橫梁內外部受力均衡，在滿足車道數量的情況下確保橋梁的穩定性。

3.2焊接結構設計

橋梁結構穩定的關鍵在于焊縫連接處的完整，但是焊接質量受到了原材料、焊接方式以及工藝的影響從而產生一定程度的損傷。焊接損傷往往出現在應力較為集中的部位，并且也會在橋梁的使用過程中國逐漸擴展，因此合理解決結構細節的損傷應當控制材料、工藝等因素從而確保焊接結構的完整性。在控制焊接結構的完整性方面應注意以下幾點:(1)合理控制焊接材料、接頭的韌性及強度，另外焊接接頭在使用后要進行相應的技術處理，盡可能地降低焊接結構的損傷;(2)接頭部位在焊接過程中會造成材料的微觀結構以及某些力學性能發生一定的改變，這種改變也是產生結構損傷的原因，而且不能簡單地將損傷歸結為材料質量的原因;(3)合理控制焊接的次數并保證焊縫質量，選擇合適的焊接材料與母材的各種性能向匹配能夠提高焊接效果;(4)焊接時注重對細節部位的把控，盡可能地減低細節部位產生焊接損傷;(5)在處理焊接結構時還應當注重防腐措施的設計，并如實準確記錄防腐保養的時間與措施。焊接結構的設計方面應當特別注重以下幾點:(1)結合橋梁建設的實際情況，需要結合試驗所得的靜力大小以及抗疲勞等級來選擇合適的焊接方式;(2)進行焊接結構的設計時特別要注意對細節部位的研究，做到全面準確，這樣才可以保證經過焊接處理結構的受力均勻，盡可能地防止集中應力的出現;(3)焊接結構設計時還應當確保焊接效果的各項參數均滿足相關標準中的要求，這樣才可以確保焊縫質量，從而提高結構的整體質量。

3.3加勁肋設計

加勁肋通常安裝在橋梁的支座或者荷載較大的位置，包括箱梁頂底板的加勁肋和腹板的加勁肋，主要起到加強固定的作用，加強橋梁結構的穩定性并有效的進行力的傳遞，防止局部失穩。有些條件下加強肋的設置并不是必須的，加強肋的設置需要經過科學嚴密的計算進行判斷，如果需要設置加強肋進行加固時，還應當選擇合適的設置方式，比如設置豎向加強肋或者水平加強肋都需要根據施工的實際情況進行綜合考慮，當豎向加強肋不能滿足工程的要求時還需要在水平方向上進行一定的補充，確保加固效果滿足橋梁整體穩定性的需要。由此可見，在設置加勁肋時必須全面搜集施工信息進行科學計算，得出精確的加勁肋設置參數。

3.4施工人孔設計

人孔是為了便于施工或維修保養而在橋梁頂板或者中間位置設置的孔洞，人孔的設置也是橋梁整體結構中重要的組成部分。當人孔設置在頂板部位時，一般情況下直徑為1.5m且位于橋梁跨徑處;當人孔設置在橋梁的中間腹部位置時，一般要設置在應力較小處，防止因設置人孔而產生受力的不均衡。從整個橋梁工程來說需要設置多個人孔，但是盡量不在同一斷面上設置多個，避免過多造成結構的損傷或，因此人孔在設置時也要盡可能地做到均勻分布，錯落有致。

3.5計算結構內力

對結構內力進行計算時應當選取單懸臂的相關參數信息，計算中控結構時要選取簡支掛梁的相關性能進行計算，還要將橋梁在縱向上劃分為若干個單元，并對各單位進行編號，分別采集相關信息數據并準確記錄，結合各結構單元的收縮徐變、預應力、荷載等參數值進行準確計算。當橋臺出現一定程度的滑動時，應當設置支座，并在橋墩處采取一定的措施對支座加固。

3.6防腐蝕設計

橋梁施工處的外界氣候環境是橋梁鋼結構進行防腐設計的依據，合理選擇防腐途徑，通常情況下要在鋼結構表面均勻噴涂相關的防腐材料，然后在經過一系列的物理方式對表面進行預處理，確保鋼結構表面光滑、清潔。因此，在實際施工過程中也要盡可能地減少鋼結構與潮濕空氣或水的過多接觸，盡可能地降低產生腐蝕的可能性。

4結語

綜上所述，可知，橋梁結構的設計與橋梁的穩定性有著密不可分的關系，合理的結構設計是橋梁建設質量的前提。因此為了進一步提升橋梁建設的質量，設計人員應當綜合考慮各種細節問題，如焊接、防腐等作業，最大程度地保證橋梁的安全穩定性。

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作者：李勇 楊彩霞 單位：中交第二公路勘察設計研究院有限公司