结构化设计在桥梁设计中的应用

李 岩

(黑龙江省公路勘察设计院,黑龙江 哈尔滨 150080)

1 桥梁结构化设计的必要性

结构化设计指的是将桥梁看作是一个模块结构考虑，充分掌握桥梁各部分特点，明确各部分结构所需发挥的作用，完善设计方案，对桥梁各结构进行充分整合，做出结构设计最佳选择，提高桥梁整体性能。

结构化设计在桥梁工程实践中的应用，可以通过多种计算方法来确定最为科学合理、经济可行的设计方案。应用结构化设计，可全面掌握并解决各种影响桥梁建设质量和水平的不良因素，进而确保桥梁设计和建设满足安全性、可靠性和适用性的要求。

传统的桥梁设计方案编制需要借鉴以往的工程实践经验，在此基础上选择质量合格的桥梁材料、规划桥梁总体布局、确定桥梁结构尺寸等，以构成符合工程实际的设计方案，然后设计人员再经过系统性、针对性的力学结构分析，对设计方案中存在的不当之处进行调整。而结构化设计通通常由两个环节组成，一是详细设计，即利用结构化程序对桥梁进行细化设计；二是概要设计，即利用设计软件系统按照施工原则和要求，对整个桥梁系统进行划分，并对各个系统的功能、要求和特点等进行分析。从上述分析可以看出，结构化设计在桥梁设计中的重要性不言而喻。

2 桥梁结构化设计的原则

2.1 连续性

连续性是确保桥梁结构化设计顺利实施的基础原则之一，一方面只有在满足这一原则的基础上，才能增大桥梁的整体抗压强度和有效受力面积，进而缓解当前桥梁建设中所面临的桥梁负荷增加、施工难度增大等问题；另一方面有利于缩短桥梁在受力过程中的传递路径，起到优化桥梁结构、节省建筑材料等作用。

2.2 科学性

在桥梁结构化设计中，予以桥梁结构相应的结构配置、确定合理的桥梁截面及高度是十分重要的，有利于增强桥梁设计的科学性。同时，在对桥梁实施结构化设计时，还应注重对其内部结构的调整和优化，通过减少桥梁结构自身的重量来提升桥梁结构的安全、稳定。

2.3 简约化

在桥梁设计和建设过程中，注重简约化设计的目的在于提升桥梁结构的整体强度、降低工程成本。在桥梁结构化设计中，应保证设计路径的简化，确保桥梁结构力能得到及时传递，从而达到分散外部荷载的目的。

3 独塔斜拉桥的结构化设计

3.1 结构化设计细节

(1)主梁结构化设计

独塔斜拉桥路面的车辆通行安全带设置在车辆两侧，这种操作不仅会增加安全带的设置工序，还会对主梁实际承载能力造成影响，故应采用相应的技术施工手段对主梁结构进行优化。具体操作为：将安全带和板式梁设置在同一区域内；将主梁变成槽口向上的槽型梁；除了主梁与塔索相靠近的部分外，在其它结构的适当位置增加钢筋，促使受力覆盖全断面，确保设计的合理性。

(2)索塔结构化设计

索塔自身的稳定性来源于其采用了矩形等截面直线塔；处于框架结构附近的桥名牌可起到缩短索塔横向长度的作用。

(3)斜拉索结构化设计

①材料选择。高强钢丝和钢绞线是斜拉索生产加工中的常用材料，但由于钢绞线的定制成本较高，且更换难度大，不适用于小斜拉桥结构设计中。针对这一问题，可采用高强精轧螺纹粗钢筋进行定制，这种钢筋的优点在于配件齐全、定制程序简单、成本费用低、施工操作简便等；

②设计要点。若高强精轧螺纹粗钢筋在长期使用中出现了锈蚀情况， 因施工前涂抹了防锈剂，故不会因为锈蚀到钢筋内部结构而造成应力腐蚀问题。粗钢筋的标准强度仅为钢绞线的1/2，故在设计中需将粗钢筋斜拉索截面积增加一倍左右；高强精轧螺纹粗钢筋的使用，会使得主梁结点竖向变位随着斜拉索刚度的增加而减少，这一现象可避免主梁弯矩过大，确保斜拉索设计的稳定性；

③布置方式。辐射形、扇形、平行和竖琴形是斜拉索布置的常见方式。比如以扇形的方式布置斜拉索，具体内容为：将分别将两根φ25高强精轧粗钢筋和φ32粗钢筋作为端斜拉索以及其余斜拉索，这按照斜拉索结构化设计的要求，并经过多次测算，确定4.5 m索距是最合理的主梁至斜拉索的间距，该索距适用于多种跨径桥梁设计中。表1为主梁上不同跨径斜拉索的锚固点间距分析情况。

表1 主梁上不同跨径斜拉索的锚固点间距分析

由表1可以看出，拉索数量会随着总跨度的增加而增加，变化规律为：每增加10 m，则需增加一根拉索；若该索距不满足工程结构设计需要，可对索距进行适当调整，避免其稳定性受到影响。

3.2 设计计算

通过对车道横向受力和斜拉结构强度进行验算发现，结构化设计均满足桥梁结构设计的需要，并且还可以有一定的富余。鉴于斜拉桥主梁的受力状态呈现不确定的特点，若改变斜拉索初始拉力或主梁标高的话，则会导致主梁内力发生变化，针对这一情况，要求设计人员在实施桥梁结构化设计时，可适当增加承载力的储备，以此来保障桥梁结构的稳定性和安全性。

4 结 语

总而言之，为了更好满足桥梁设计的经济适用、安全可靠、耐久性标准等要求，积极采用结构化设计代替传统的桥梁设计方式，大量工程实践也表明，结构化设计已取得良好的设计效果，对促进我国桥梁建设领域的发展具有重要作用。本文所分析的独塔斜拉索桥梁结构化设计也充分体现了这一点，故可将该设计方式积极应用到相关领域中，以从根本上发挥其运用价值。