道路桥梁设计中结构化设计的应用研究

乐玥、张飞

（上饶市宏优公路勘察设计院有限公司，江西 上饶 334000）

0 引言

桥梁作为道路的重要组成部分，要想使桥梁建设达到预期使用效果，并保证桥梁结构的安全性、耐久性，就必须在前期做好桥梁设计。在道路桥梁设计过程中，需要采用先进合理的设计思想来适应当前道路桥梁建设与发展需要。

基于结构化方法的桥梁设计思想就是一种先进可行的新型桥梁设计理念，对提高桥梁工程设计水平有着重要作用和意义，需要得到相关人员的高度重视。

1 基于结构化方法的桥梁设计思路

桥梁是现代化基础设施建设的主要组成部分之一，具有和房屋建筑完全不同的结构，投入使用后不会像房屋建筑那样以承受静止状态的荷载为主，而是以承受动荷载为主。当前在进行桥梁设计时主要采用以有限元分析为基础的方法，这种方法又是将结构化分析作为基础的。

对桥梁结构实施有限元分析的过程中，和较为普遍的结构存在本质上的差异，这是因为桥梁所受荷载实际上是一个持续变化的过程，对桥梁外加荷载进行计算时需要充分考虑分批加载因素。此外，在桥梁工程施工中，随着时间不断延长，桥梁所用混凝土材料还会发生徐变，桥梁结构受力状态也会受到混凝土材料徐变因素的直接或间接影响。由于在采用有限元方法对桥梁进行设计分析的过程中往往按照施工顺序完成，因此需要按照结构化思维在充分考虑平面关系条件下结合具体的施工步骤。

采用结构化的方法对桥梁进行设计时，通常可将传统有限元方法初步分成以下三个部分：数据预处理、计算公式与处理结果，实际上就是数据预处理、数据计算与数据后处理。桥梁工程计算方法相似，仅仅是在分析单元建立过程中需要重复考虑杆件存在的差异。基于此，按照结构化方法对桥梁进行设计时，可具体分成以下三步：

第一步为数据预处理，拆分具体分析对象，确定主要构件。通常对公路桥梁进行计算时，会将整个桥梁结构简化成若干单独杆件，以此使三维问题变成平面问题。与此同时，还需要为不同类型的杆件赋予相应的特性，如节点、截面尺寸、荷载与材料特性。在整个分析工作中，数据预处理是主要环节之一，需要在确保所有节点参数均准确无误的基础上才能保证分析成果的准确性。

第二步为计算分析，通过数据预处理完成提取的各类数据都可作为对单独杆件进行有限元分析的重要基础。桥梁工程建设中，需将不同阶段桥梁结构自身重量、风荷载与其他环境因素都进行准确记录；桥梁投入正常使用后，需要对桥梁受到各类荷载持续作用后各单独杆件实际受力状态进行计算，进而分析确定桥梁结构所处受力状态。对此部分进行计算时，需要采用专门的计算机软件进行。以结构化分析为基础的桥梁工程设计必须将计算机作为主要辅助工具。

第三步为后处理，在完成前两步工作后，还要对结构内力与不同外荷载之间的关系进行深入分析与明确，通过计算确定各类工况条件下桥梁结构最不利部位。在分析的基础上通过荷载组合，确定桥梁结构在不同荷载组合条件下的最大承载力。

通过以上分析可知，通过以结构化方法为基础的分析能十分准确地对桥梁工程在不同阶段各类单元体的实际内力水平和位移情况进行勘测，进而良好反映出桥梁结构受力特征。

2 工程概况

某桥梁最大墩高为74.97m，在超过35m 的高墩中主要以双肢矩形墩及空心墩为主，其中双肢矩形墩墩柱断面尺寸为2.8m×2.4m 及2.4m×2.2m 两种形式，双肢矩形墩盖梁尺寸有15.8m×2.6m×2.2m 及15.8m×3.0m×2.2m 两种形式；空心墩墩柱断面尺寸为8.0m×3.5m，盖梁尺寸15.8m×3.7m×3.0m。盖梁、柱系梁支架使用材料如表1所示。

表1 支架使用材料参数一览表

3 基于结构化方法的桥梁设计计算

3.1 基本说明

该桥梁墩柱盖梁及柱系梁形式较多，其中超过40m 高墩墩柱形式主要有双肢矩形墩及空心薄壁墩。现以荷载最大，施工最不利情况考虑设计以下两种支架形式，并对这两种形式的支架进行受力验算。

由于过渡墩空心薄壁墩墩柱高度较梁板桥主墩高度小，同时悬臂端长度相对较小，因此计算选择不利的梁板桥空心薄壁墩盖梁进行支架验算。

梁板桥主墩空心薄壁墩盖梁有15.8m×3.2m×3.0m 及15.8m×3.7m×3.0m 两种形式，此次计算按照最不利计算，选择最大盖梁尺寸进行计算（15.8m×3.7m×3.0m）。

采用在墩柱内预埋20mm 厚钢板及

φ

18 钢筋焊接而成的预埋件；用2 排双［32a 槽钢钢箱焊接在墩柱上作牛腿，牛腿上设9 根工20 分配梁；两侧牛腿根部双［32a 槽钢钢箱上焊接两排I25a，上布设2 根40a 工字钢作为施工作业平台。混凝土单轴受拉应力-应变曲线的参数取值如表2所示，混凝土单轴受压应力-应变曲线的参数取值如表3所示。

表2 混凝土单轴受拉应力-应变曲线的参数取值

表3 混凝土单轴受压应力-应变曲线的参数取值

3.2 空心薄壁墩盖梁支架荷载参数

3.2.1 钢筋混凝土重：最厚处为3.0m 高，相应的分配梁荷载为0.5×3.0×3.7×26=144.3kN/m。

3.2.2 模板重：按0.15t/m计算，g 取10kN/t，最厚处模板重相应的分配梁荷载为[(2×3.0+3.7)×0.5]×0.15×10/3.7=1.96kN/m。

3.2.3 人工、机具荷载：按2.5kPa 取值，每根分配梁荷载为2.5×0.5=1.25kN/m。

3.2.4 振捣荷载：按2.0kPa 取值，每根分配梁荷载为2.0×0.5=1.0kN/m；分配梁工字钢工22a 采用从空心薄壁墩向外依次进行编号，1、2、3、4……11。空心薄壁墩盖梁荷载如表4所示。

表4 空心薄壁墩盖梁荷载

表4（续）

3.3 空心薄壁墩内模牛腿荷载参数

3.3.1 模板重：按0.15t/m计算，g 取10kN/t，空心薄壁墩浇筑单仓4.5m 高，内模总荷载为[(7+2.7)×2]×0.15×10=29.1kN；每个牛腿荷载为2.91kN。

3.3.2 人工、机具荷载：按3.0kPa 取值，则人工、机具荷载为3.0×7×2.7=56.7kN；每个牛腿荷载为5.67kN。

3.4 空心薄壁墩盖梁支架荷载计算

3.4.1 支架结构计算，使用Midas Civil2015 建模计算。

3.4.2 纵梁工63a 工字钢计算：

（1）纵梁工63a 工字钢纵梁工63a 工字钢梁，最大变形下挠值为：-5.40mm＜[y]=2200mm/400=5.5mm。

（2）纵梁工63a 工字钢梁最大弯拉应力为：154.59MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I63a 梁最大剪应力为：16.74MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.3 I22a 工字钢分配梁计算：

（1）最大变形下挠值为：-5.17mm＜[y]=3600mm/400=9mm。

（2）I22a 工字钢最大弯拉应力为：197.27MPa＜[σ]=215MPa。

（3）I22a 工字钢最大剪应力为：52.78MPa＜[τ]=125MPa。

3.4.4 钢棒（

φ

140mm）计算：（1）

φ

140 钢棒支撑梁最大弯拉应力为：251.02MPa＜[σ]=600MPa。（2）钢棒（

φ

140mm）最大剪应力为32.02MPa＜[τ]=355MPa。

（3）钢棒下挠值为-0.49mm，不作计算。

3.4.5 牛腿支架

（1）牛腿最大变形下挠值为：-6.4mm＜[y]=1800mm/250=7.2mm。

（2）牛腿最大弯拉应力为：185.3MPa＜[σ]=215MPa。

（3）牛腿最大剪应力为：62.0MPa＜[τ] =125MPa。

3.4.6 支架焊缝计算

根据支架反力图可知各牛腿最大受反力，水平梁水平力为38.3kN，竖直力为269.2kN；斜撑水平力为-359.8kN，竖直力为400.9kN。由于牛腿水平梁反力比斜撑反力小，同时斜撑焊缝长度比水平梁大，所以只需要对牛腿斜撑梁实施焊缝验算。

3.5 空心薄壁墩内模牛腿计算

使用Midas Civil2015 建模计算：

其一，32 精轧螺纹钢最大变形下挠值为：0.1mm，不作验算。

其二，32 精轧螺纹钢最大弯拉应力为：33.7MPa＜[σ]=215MPa。

其三，32 精轧螺纹钢最大剪应力为：5.75MPa＜[τ]=125MPa。

其四，L50 角钢钢箱最大变形下挠值为：0.1mm，不作验算。

其五，L50 角钢钢箱最大弯拉应力为：20.0MPa＜[σ]=215MPa。

其六，L50 角钢钢箱最大剪应力为：0.42MPa＜[τ]=125MPa。

其七，A3 钢板最大变形下挠值为：0.002mm，不作验算。

其八，A3 钢板最大弯拉应力为：0.9MPa＜[σ]=215MPa。

经Madis Civil2015 软件分析计算，空心薄壁墩内模牛腿、空心薄壁墩3.7m×3.0m 盖梁支架的各杆件均满足相关规范的要求，可以用于施工。

4 结语

综上所述，基于结构化方法的桥梁设计和传统设计方法存在本质上的差别，后者主要考虑的是桥梁安全性与设计方案的可行性，而基于结构化方法的桥梁设计往往考虑得更为全面，可对不同类型的桥梁给出相应的方案，以此在保证桥梁结构安全性与可靠性的同时，提高经济性。可见，基于结构化方法的桥梁设计是当前我国桥梁工程建设与发展的必然选择之一，伴随基于结构化方法的桥梁设计水平日益提高，将给出更多更合理的设计方案。以上对基于结构化方法的桥梁设计进行了初步分析与总结，旨在为实际桥梁设计计算提供技术参考，保证桥梁设计合理性与可行性。