淺析鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計理念與方法范文
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摘要:由于鋼結(jié)構(gòu)的抗壓性能較為突出，在橋梁建設(shè)時經(jīng)常會選取鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計施工。文章闡述了鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計理念，針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷表現(xiàn)形式進(jìn)行相應(yīng)的研究，提出了橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計方法，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的完整性并最大限度地提升橋梁的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)橋梁;完整性設(shè)計;結(jié)構(gòu)損傷
1鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計理念
橋梁的產(chǎn)生是為了解決人們道路交通障礙確保交通便利。當(dāng)前常見的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，基本都是由不同的鋼結(jié)構(gòu)單元通過螺栓或者焊接處理進(jìn)行有效連接的一個規(guī)模龐大的受力系統(tǒng)，該系統(tǒng)在承載性能以及使用壽命上有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計人員在進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計時會嚴(yán)格遵守相關(guān)法律或者行業(yè)的規(guī)定，確保橋梁強(qiáng)度、剛度以及其安全穩(wěn)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(chǎn)生不同程度的結(jié)構(gòu)損壞。這樣看來，橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的因素有多種，應(yīng)當(dāng)綜合分析。近十幾年來，大多數(shù)的橋梁事故都是由于結(jié)構(gòu)的局部損傷逐漸擴(kuò)大至整個橋梁的，但是對于橋梁整體結(jié)構(gòu)來說局部的損傷表現(xiàn)并不明顯，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生損傷也缺乏較為有效的措施進(jìn)行修復(fù)，所以一旦橋梁出現(xiàn)了局部損傷在缺少相應(yīng)的補救措施的情況下，在使用過程中損傷也會逐漸擴(kuò)展，最終造成整體結(jié)構(gòu)的損壞。多起橋梁事故的發(fā)生不僅引起了設(shè)計人員對局部損傷以及損傷擴(kuò)展等方面的思考，也讓更多的設(shè)計人員轉(zhuǎn)向?qū)φw結(jié)構(gòu)完整性的設(shè)計。而這類事故的發(fā)生，在引起設(shè)計者對焊接結(jié)構(gòu)損傷、損傷擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效過程關(guān)注的同時，也引起了設(shè)計者對如何保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完整性的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的完整性設(shè)計通常涉及兩方面的內(nèi)容:(1)設(shè)計時滿足橋梁強(qiáng)度及剛度的相關(guān)要求;(2)充分考慮局部損傷及斷裂等問題進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。該過程應(yīng)當(dāng)充分考慮兩方面要求，確保所設(shè)計的橋梁是一個完整統(tǒng)一的系統(tǒng)。橋梁中鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)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(guān)的設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在設(shè)計階段充分考慮其結(jié)構(gòu)的整體完整性以及建設(shè)材料、施工工藝、安裝、使用、環(huán)境等因素的影響，以及橋梁維修養(yǎng)護(hù)工作等。只有將各種影響因素綜合全面地進(jìn)行考慮，才能夠從根本上保證橋梁結(jié)構(gòu)的完整穩(wěn)定，也就是說，在設(shè)計時不僅要滿足強(qiáng)度剛度的要求，還應(yīng)當(dāng)將局部損傷的各種情況考慮在內(nèi)。在橋梁的安裝使用階段，經(jīng)常會造成鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(huán)境等多種因素的影響而逐漸擴(kuò)展，最后形成難以修復(fù)的裂紋，造成了結(jié)構(gòu)的損壞影響了橋梁的整體質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)完整性受到損傷程度的影響，當(dāng)損傷擴(kuò)大至某一程度之后，鋼結(jié)構(gòu)的完整性也會受到破壞，這一程度可以用損傷容限進(jìn)行表示。損傷容限指的是鋼結(jié)構(gòu)抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷造成破壞的能力，這一參數(shù)也表明了鋼結(jié)構(gòu)在正式使用前就存在一定的瑕疵，但是可以根據(jù)橋梁完整性設(shè)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(jié)構(gòu)損傷表現(xiàn)形式
隨著科技的進(jìn)步，越來越多的高性能材料應(yīng)用到橋梁的建設(shè)中，并且借助焊接工藝進(jìn)行各種材料的有效連接，因此設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)充分考慮焊接技術(shù)對材料的損傷以及損傷程度對鋼結(jié)構(gòu)完整性的影響。通常情況下，橋梁結(jié)構(gòu)受到施工材料、施工工藝等因素的影響，并且在焊接時經(jīng)常表現(xiàn)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(dǎo)致非金屬中含有多種雜質(zhì);(2)由于金屬結(jié)晶過程操作不當(dāng)，導(dǎo)致焊接部位的相關(guān)力學(xué)性能降低;(3)焊接質(zhì)量不佳，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)損傷或者產(chǎn)生裂紋;(4)在設(shè)計時忽略了相關(guān)細(xì)節(jié)的考慮導(dǎo)致連接處發(fā)生損壞;(5)在材料的使用周期內(nèi)外界環(huán)境發(fā)生的重大變化從而產(chǎn)生較大的損傷。
3橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)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(shè)計階段充分考慮這兩方面的內(nèi)容。
3.1橫向抗傾覆設(shè)計
對鋼結(jié)構(gòu)橋梁，尤其是半徑小、車道多的橋梁進(jìn)行設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注其橫向抗傾覆性能的設(shè)計，這也是目前橋梁研究的主要方向。設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計時要經(jīng)過嚴(yán)密的計算橫梁的偏心受力，避免發(fā)生外部受力而內(nèi)部缺少相應(yīng)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(jìn)行一定程度的填方確保橫梁內(nèi)外部受力均衡，在滿足車道數(shù)量的情況下確保橋梁的穩(wěn)定性。
3.2焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計
橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵在于焊縫連接處的完整，但是焊接質(zhì)量受到了原材料、焊接方式以及工藝的影響從而產(chǎn)生一定程度的損傷。焊接損傷往往出現(xiàn)在應(yīng)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(kuò)展，因此合理解決結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的損傷應(yīng)當(dāng)控制材料、工藝等因素從而確保焊接結(jié)構(gòu)的完整性。在控制焊接結(jié)構(gòu)的完整性方面應(yīng)注意以下幾點:(1)合理控制焊接材料、接頭的韌性及強(qiáng)度，另外焊接接頭在使用后要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)處理，盡可能地降低焊接結(jié)構(gòu)的損傷;(2)接頭部位在焊接過程中會造成材料的微觀結(jié)構(gòu)以及某些力學(xué)性能發(fā)生一定的改變，這種改變也是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷的原因，而且不能簡單地將損傷歸結(jié)為材料質(zhì)量的原因;(3)合理控制焊接的次數(shù)并保證焊縫質(zhì)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(xì)節(jié)部位的把控，盡可能地減低細(xì)節(jié)部位產(chǎn)生焊接損傷;(5)在處理焊接結(jié)構(gòu)時還應(yīng)當(dāng)注重防腐措施的設(shè)計，并如實準(zhǔn)確記錄防腐保養(yǎng)的時間與措施。焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)特別注重以下幾點:(1)結(jié)合橋梁建設(shè)的實際情況，需要結(jié)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(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計時特別要注意對細(xì)節(jié)部位的研究，做到全面準(zhǔn)確，這樣才可以保證經(jīng)過焊接處理結(jié)構(gòu)的受力均勻，盡可能地防止集中應(yīng)力的出現(xiàn);(3)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)當(dāng)確保焊接效果的各項參數(shù)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的要求，這樣才可以確保焊縫質(zhì)量，從而提高結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。
3.3加勁肋設(shè)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?shù)装宓募觿爬吆透拱宓募觿爬撸饕鸬郊訌?qiáng)固定的作用，加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并有效的進(jìn)行力的傳遞，防止局部失穩(wěn)。有些條件下加強(qiáng)肋的設(shè)置并不是必須的，加強(qiáng)肋的設(shè)置需要經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)密的計算進(jìn)行判斷，如果需要設(shè)置加強(qiáng)肋進(jìn)行加固時，還應(yīng)當(dāng)選擇合適的設(shè)置方式，比如設(shè)置豎向加強(qiáng)肋或者水平加強(qiáng)肋都需要根據(jù)施工的實際情況進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)豎向加強(qiáng)肋不能滿足工程的要求時還需要在水平方向上進(jìn)行一定的補充，確保加固效果滿足橋梁整體穩(wěn)定性的需要。由此可見，在設(shè)置加勁肋時必須全面搜集施工信息進(jìn)行科學(xué)計算，得出精確的加勁肋設(shè)置參數(shù)。
3.4施工人孔設(shè)計
人孔是為了便于施工或維修保養(yǎng)而在橋梁頂板或者中間位置設(shè)置的孔洞，人孔的設(shè)置也是橋梁整體結(jié)構(gòu)中重要的組成部分。當(dāng)人孔設(shè)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(dāng)人孔設(shè)置在橋梁的中間腹部位置時，一般要設(shè)置在應(yīng)力較小處，防止因設(shè)置人孔而產(chǎn)生受力的不均衡。從整個橋梁工程來說需要設(shè)置多個人孔，但是盡量不在同一斷面上設(shè)置多個，避免過多造成結(jié)構(gòu)的損傷或，因此人孔在設(shè)置時也要盡可能地做到均勻分布，錯落有致。
3.5計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力
對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計算時應(yīng)當(dāng)選取單懸臂的相關(guān)參數(shù)信息，計算中控結(jié)構(gòu)時要選取簡支掛梁的相關(guān)性能進(jìn)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(jìn)行編號，分別采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確記錄，結(jié)合各結(jié)構(gòu)單元的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、荷載等參數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確計算。當(dāng)橋臺出現(xiàn)一定程度的滑動時，應(yīng)當(dāng)設(shè)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(shè)計
橋梁施工處的外界氣候環(huán)境是橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐設(shè)計的依據(jù)，合理選擇防腐途徑，通常情況下要在鋼結(jié)構(gòu)表面均勻噴涂相關(guān)的防腐材料，然后在經(jīng)過一系列的物理方式對表面進(jìn)行預(yù)處理，確保鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與潮濕空氣或水的過多接觸，盡可能地降低產(chǎn)生腐蝕的可能性。
4結(jié)語
綜上所述，可知，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與橋梁的穩(wěn)定性有著密不可分的關(guān)系，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是橋梁建設(shè)質(zhì)量的前提。因此為了進(jìn)一步提升橋梁建設(shè)的質(zhì)量，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種細(xì)節(jié)問題，如焊接、防腐等作業(yè)，最大程度地保證橋梁的安全穩(wěn)定性。
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作者：李勇 楊彩霞 單位：中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司