橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計要點

侯寶林

（天津市市政工程設(shè)計研究院南京分院，江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來，城市現(xiàn)代化建設(shè)進程顯著加快，切實推動著社會經(jīng)濟水平的穩(wěn)步提升，隨著交通運輸產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施面臨的通行壓力逐步加大，對設(shè)施結(jié)構(gòu)的強度性能與承載能力提出了更高要求。優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計，關(guān)鍵在于綜合把握并全面考慮橋梁的使用現(xiàn)狀，在實際使用過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，采取改進與應(yīng)對策略，保障橋梁結(jié)構(gòu)在使用階段的安全性。

1 我國現(xiàn)代橋梁的使用現(xiàn)狀

1.1 交通荷載大

社會經(jīng)濟發(fā)展水平的穩(wěn)步提升，為人們帶來了更好的生活條件。近年來，汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，大眾對汽車的需求量與使用量大幅增加，各地交通運輸網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)完善，可供大眾選擇的出行方式愈發(fā)趨于多樣化，這也使得人們在工作生活以及節(jié)假日中的出行頻率逐年提高。在交通體系中，道路橋梁是最為關(guān)鍵的組成部分，面臨著較高的交通量與荷載量，很多城市逐漸出現(xiàn)了愈發(fā)嚴重的交通擁堵問題，對城市及地區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)造成了一定的阻礙與制約作用。要使得此種交通局面得到有效改善，還需以高架橋梁、立交橋等橋梁工程的施工建設(shè)為切入點，逐步加大在此方面的技術(shù)投入與資金投入，為城市提供便利可靠的交通運輸條件，促使當前交通堵塞等問題得以有效緩解。完善橋梁結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計，在于滿足橋梁荷載顯著增大的發(fā)展需求，提高橋梁自身的強度性能與承載能力，為其在使用過程中提供安全保障[1]。因此，橋梁中鋼結(jié)構(gòu)與橋梁的荷載能力有直接的影響，橋梁鋼結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，如鋼板梁橋，其組成如圖1 所示。

圖1 鋼板梁橋組成

1.2 超載現(xiàn)象嚴重

在當前我國現(xiàn)存的所有橋梁中，早期修建的占較大部分。在當時有限的建設(shè)條件下，橋梁工程的設(shè)計與施工都存在較大的局限性，應(yīng)用的技術(shù)工藝較為單一，整體結(jié)構(gòu)的承載能力較弱。隨著現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè)速度逐步加快，人們在交通運輸方面的需求顯著增加，早期修建的橋梁道路普遍存在著較為嚴重的超載問題。橋梁在使用過程中存在的安全隱患也愈發(fā)明顯，對過往車輛與行人的人身安全帶來嚴重威脅。部分大型車輛經(jīng)過帶來的超載問題，在很大程度上直接破壞橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其實際使用壽命、后續(xù)的正常使用也造成嚴重影響。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)損傷的主要表現(xiàn)

2.1 材料損傷

鋼材在冶煉和澆鑄過程中會產(chǎn)生冶金缺陷。如磷和硫等有害元素都是在煉鋼過程中不能完全清除，澆鑄時FeO 與C 作用產(chǎn)生的CO 氣體不能充分逸出而在鋼材中形成微小氣泡等。這些缺陷都會影響材料性能，使鋼材塑性、韌性有所下降。另一方面，鋼材受溫度影響較大，溫度升高和降低都會使鋼材性能發(fā)生變化。當溫度降低到一定程度時，材料破壞由韌性破壞轉(zhuǎn)變成脆性破壞，因此低溫性能尤為重要。溫度越低，材料沖擊韌性要求更高，寒冷地區(qū)如東北地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁需采用E 級鋼。此外，孔洞、支點、牛腿以及不良的構(gòu)造設(shè)計帶來的應(yīng)力集中也會引發(fā)材料損傷，誘發(fā)板材開裂[2]。

2.2 焊接損傷

焊縫附近鋼材因焊接的高溫作用而形成熱影響區(qū)，其金相組織和機械性能發(fā)生變化，某些部位材質(zhì)變脆。焊接過程中鋼材受到不均勻的高溫和冷卻，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，影響結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和使用性能[3]。設(shè)計常片面提高焊接標準、增大焊縫尺寸，除了大量增加焊接工作量和工程成本外，還會因結(jié)構(gòu)的過度焊接、反復(fù)加熱而產(chǎn)生大量的焊接殘余應(yīng)力、殘余變形和延遲裂紋隱患，從而降低結(jié)構(gòu)安全及使用壽命。

3 橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計要點

3.1 強度

材料的選用并非強度等級越高越好。強度級別高，其塑性和韌性都會下降，對損傷的敏感性增加，因碳當量的增加，焊接難度也隨之增加。板材應(yīng)遵循“寧薄勿厚”的原則。較之薄板，厚板的綜合性能偏低。焊接過程帶來的熱效應(yīng)更突出，對工藝和接頭的使用性能更不利。同時，板厚的增加也并不能緩解疲勞裂紋的擴展。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中焊接接頭韌性是控制指標，應(yīng)糾正過度追求母材高性能，而忽視焊接接頭性能和構(gòu)造形式。合理的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)按需要布置焊縫和設(shè)定焊腳尺寸，避免過度焊接。盡量減少焊接熱過程帶來的損傷，低損傷度的焊接接頭是結(jié)構(gòu)耐久性的根本保證。

3.2 剛度

鋼橋自重和剛度相對較小，變形和振動比混凝土橋大，為避免過大的變形和振動對車輛行駛的安全性和舒適性產(chǎn)生不良影響，鋼橋必須有足夠的整體剛度，因此規(guī)范通過限制桿件的長細比和撓度等，保證橋梁具備足夠的剛度。考慮到恒載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形，為保證成橋后的橋面曲線平順，鋼橋橋面應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，對于不同的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采用不同的預(yù)拱度設(shè)計。鋼箱梁加工常通過橫隔板的布置控制箱體線形，因此設(shè)計預(yù)拱度時應(yīng)采用平順的曲線與豎曲線縱坡疊合，并標注每道橫隔板處的預(yù)拱度。鋼桁梁預(yù)拱度通常通過改變上弦桿件長度增加或者減少，維持腹桿及下弦橋面桿件長度不變，來使橋面節(jié)點達到上拱的目的。常用的預(yù)拱度設(shè)置方式有無內(nèi)力起拱、有內(nèi)力起拱和桁外力起拱等。

鋼結(jié)構(gòu)人行橋因其結(jié)構(gòu)形式較輕柔，易產(chǎn)生振動問題。由于各種振動而導(dǎo)致的橋梁適應(yīng)性降低乃至破壞的事件時有發(fā)生，我國現(xiàn)行人行天橋規(guī)范規(guī)定天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz。隨著鋼結(jié)構(gòu)人行橋逐步往跨度大、造型柔、結(jié)構(gòu)輕的方向發(fā)展，自振頻率一般不滿足大于3Hz 的要求。提升結(jié)構(gòu)自振頻率常采用兩種方案：增加結(jié)構(gòu)自身剛度和設(shè)置阻尼裝置，前者對中小跨徑橋梁會有較明顯的改善，但對大跨徑的橋梁提升效果甚微，且對工程造價影響極大，經(jīng)濟性不佳；后者是一種常見的抑制振動的有效措施，常用的阻尼器有黏滯阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)諧液體阻尼器等。在沒有適合我國國情的人行橋動力分析指南及舒適性評價標準情況下，可參照德國《人行橋設(shè)計指南EN03（2007）》進行分析及評價。

3.3 穩(wěn)定性

鋼橋作為薄壁結(jié)構(gòu)，自重和剛度相對較小，穩(wěn)定性突出，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。整體穩(wěn)定主要包含橫向抗傾覆驗算和寬高比、寬跨比計算等設(shè)計內(nèi)容，因近年來車輛超載引起的箱梁傾覆失穩(wěn)直至垮塌事故頻發(fā)，鋼橋的橫向抗傾覆性能是設(shè)計的重點。橫向抗傾覆設(shè)計主要是依托于精確的計算分析，對橋梁關(guān)鍵部位的實際受力情況予以深入研究，確保橋梁橫向方向上受到相對均勻的作用力，防止因受力分析不準確、結(jié)構(gòu)設(shè)計不到位等問題，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受力不均，進而加快鋼結(jié)構(gòu)遭受損壞的速度。由此可見，設(shè)計橋梁鋼結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆性能，應(yīng)該以綜合性、完整性的受力分析為基礎(chǔ)，在合理適宜的范圍內(nèi)科學控制橫梁的受力情況。在條件允許的情況下，可以在橋梁橫梁處選定一個適當?shù)奈恢茫褂描F砂混凝土或鑄鐵等材料對其進行填充壓重處理，確保鋼結(jié)構(gòu)在實際使用階段的受力更加均勻，全面提升橋梁的穩(wěn)定性與安全性。

為防止加勁肋先于母板失穩(wěn)，一般采用剛性加勁肋作為母板的有效支撐。受壓板件由穩(wěn)定控制構(gòu)件承載力，設(shè)置加勁肋是最合理的方式，而加勁肋應(yīng)該有足夠的剛度。因此，局部穩(wěn)定性常采用“薄板強肋”的設(shè)計原則，既可滿足結(jié)構(gòu)承載要求，又符合鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的思想。規(guī)范中對主梁翼緣板的寬厚比和加勁肋的寬厚比和慣性矩做了限值，滿足這些構(gòu)造要求即可防止在制作、運輸、安裝和運行過程中出現(xiàn)局部失穩(wěn)。

3.4 疲勞

構(gòu)件和連接拉應(yīng)力大小發(fā)生變化或出現(xiàn)拉壓交替變化時要考慮疲勞的影響。由于汽車荷載是導(dǎo)致疲勞破壞的主要因素，故規(guī)范規(guī)定承受汽車荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接應(yīng)進行疲勞驗算。鋼橋面是出現(xiàn)疲勞破壞的主要部位并且?guī)в胁豢尚迯?fù)性，國外規(guī)范采用標準化的結(jié)構(gòu)細節(jié)來保證其抗疲勞性能。我國規(guī)范對鋼橋面的最小厚度、頂板加勁肋尺寸和剛度、頂板與加勁肋的焊接要求等細部構(gòu)造提出了相應(yīng)要求，國內(nèi)也在研究解決U 肋與頂板連接部位的疲勞開裂問題，如采用U 肋內(nèi)焊等技術(shù)提高該接頭的抗疲勞性能。焊接結(jié)構(gòu)疲勞與強度關(guān)系不大，主要受應(yīng)力幅控制，在構(gòu)造細節(jié)方面，疲勞強度與幾何突變關(guān)系較為密切，因此鋼箱梁腹板常設(shè)置于行車輪跡中心線0.6m 之外，以降低橋面剛度突變產(chǎn)生的疲勞裂紋。改善結(jié)構(gòu)疲勞性能的措施主要有：增大構(gòu)件截面，降低應(yīng)力幅水平；采用合理的構(gòu)造細節(jié)，選擇應(yīng)力集中程度低的構(gòu)造方案，當應(yīng)力集中不可避免時，盡可能將其設(shè)置于低應(yīng)力區(qū)；盡量避免多條焊縫交匯；現(xiàn)場拼接焊縫替換為抗疲勞性能好的高強度螺栓連接。

3.5 防腐

盡管鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有良好的使用性能，為建設(shè)施工提供了較大的便利條件，但由于鋼材性質(zhì)具有一定的特殊性，環(huán)境因素很容易對鋼結(jié)構(gòu)起到腐蝕作用，因而對其結(jié)構(gòu)的整體防腐蝕設(shè)計也提出了較高要求。提高完整性設(shè)計水平，需要將防腐蝕方面的設(shè)計完善放在首要位置上，對橋梁所處的環(huán)境條件、可能面臨的腐蝕因素加以充分考慮，引入防腐涂層設(shè)計等多樣化的技術(shù)手段，一方面提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命，另一方面將防腐涂層的保護作用最大限度內(nèi)發(fā)揮出來，避免金屬表面與防腐涂層直接接觸，優(yōu)化防腐設(shè)計的處理效果。在均勻布設(shè)涂層前，施工人員需預(yù)先全面地處理鋼結(jié)構(gòu)的金屬表面，在適宜范圍內(nèi)提高金屬表面的粗糙度，優(yōu)化防腐涂層的應(yīng)用效果，切實提高橋梁鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中的抗腐蝕性能。

4 結(jié)束語

完善鋼結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計，不僅在于提高橋梁設(shè)計水平，也是確保橋梁工程被安全有效地投入到正式使用中的基礎(chǔ)條件。設(shè)計工作的組織與開展需緊密貼合橋梁的施工建設(shè)要求，綜合考慮其所處地理位置的實際情況，除了滿足傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度，剛度的要求外，優(yōu)化穩(wěn)定性、疲勞和防腐的完整性設(shè)計是結(jié)構(gòu)耐久的重要保證。