桥梁钢结构的整体设计策略框架思路构建

季正迪

兰州城市建设设计研究院有限公司 甘肃 兰州 730000

桥梁工程作为公路工程的重要组成，在施工技术成熟度不断提高的情况下，施工材料的丰富度也在提高。钢结构具有质量较轻、刚度较大、稳定性较强等优势，目前已经在桥梁工程中得到了广泛应用。通过整理桥梁钢结构整体设计要点，不仅可以保证桥梁结构相互间承载力稳定性，发挥桥梁结构功能性，而且能够提高桥梁工程质量，延长桥梁工程的使用寿命。

1 桥梁钢结构的整体设计目标和原则

1.1 设计目标

从目前的应用情况来看，国内对于桥梁钢结构的设计目标在于，能够保证桥梁工程在预设年限内可以维持较高安全性与稳定性。结合国际标准（BS5400，EURO CODE）中的要求可以得知，我国桥梁的完整性设计在考虑桥梁材料性能、制造工艺、安装方法、机构细节构造以及桥梁使用环境和定期维护方式方法等因素后，确定使用年限一般为100年。并且在完整性设计活动中，除了考虑结构强度、刚度等参数外，还需要评定损伤和损伤容限断裂与抗断裂等相关问题，以确保实现桥梁钢结构的完整性最终设计目标。

1.2 设计原则

总结以往的设计经验，在桥梁钢结构整体设计中，需要秉持以下设计原则：（1）系统性原则，在对钢结构进行设计时，需要综合考虑人孔位置、加强肋位置、横梁尺寸等内容之间的关联性，利用BIM技术建立的模型，来系统分析这些结构的相互关系，从而提高设计结果的科学性，保证设计方案的可行性。（2）耐久性原则，钢结构长期暴露在空气中，很容易出现锈蚀问题，进而影响到钢结构强度和使用寿命。基于此，在钢结构整体设计活动中，需要做好结构耐久性设计，如合理选择防腐措施、做好节点保护等，从而延长钢结构的使用寿命，提高钢结构所带来的综合效益。（3）经济性原则，桥梁工程的整体造价较高，钢结构作为重要的施工材料，也是成本占比较高的部分。基于此，在实践中需要在考虑结构安全性、质量性的基础上，做好材料经济性考量，优选性价比较高的钢结构材料，以降低整体成本支出，保证桥梁工程的经济效益。

2 桥梁钢结构的整体设计策略

2.1 横向抗倾覆设计

在整体性设计活动中，横向抗倾覆设计属于非常重要的设计内容，其作用是维持结构整体的稳定性，避免结倾覆问题。从目前的实践情况来看，科学使用钢结构能够有效提高整个桥梁工程的施工质量，不断提升整个结构的强度，但是将钢结构应用到小半径、多车道设计活动中时，需要相关人员对结构横向抗倾覆展开深入分析，了解横梁结构的受力情况，基于分析结果来完成受力平衡性设计，维持钢结构整体稳定性。通常情况下，桥梁工程的整体跨度相对较大，而连续钢梁的半径相对较小，钢梁的整体宽度会低于桥面宽度，很容易带来承载力均匀性不足的情况。基于此，可利用BIM技术来建立三维模型，录入桥梁跨度、钢梁半径、宽度等数据，基于模型来完成受力分析，以维持整个结构的平衡性。对于部分特殊部位，也会通过在横梁位置处灌入细砂，使该结构的受力情况得到改善，以提升整个桥梁结构的稳定性。

2.2 钢结构焊接设计

在钢结构施工阶段，会使用焊接的方式来拼接钢结构，焊接质量也会对整个结构稳固性和完整性带来直接影响。根据以往的受力分析经验可以得知，焊接结构接头位置，很容易受到不同位置的负荷，使得结构整体应力存在较大差异。而该差异情况无法通过设计的方式完全消除，从而导致焊接结构接头位置出现形变的情况，进而影响到结构设计结果的完整性。在具体设计活动中，也需注意以下几点：（1）基于焊接结构的具体情况来展开设计，而且在设计前也需要基于试验结果来确定钢结构静力以及对应的疲劳等级，从而筛选出最为恰当的焊接方法进行处理，以提高焊接结果的科学性。（2）在整个焊接设计活动中，需要做好细节方面的综合性分析，考虑到焊接后该部位的承载力平衡情况，尽量降低焊接后该部位的应力，以提高焊接设计结果的科学性。（3）在设计活动中，也需要做好焊接后质量检查方法的选择，及时发现和处理存在的焊接质量问题，提高焊接结构的施工质量。

2.3 人孔合理化设计

在钢结构施工阶段，人孔的主要作用是便于后续施工活动的进行，人孔位置、尺寸的合理性也会对钢结构施工活动的推进产生直接影响。根据以往的设计与实践经验可以得知，人孔会集中布置在钢结构的箱梁顶板与腹板位置，具体布置位置也需要综合考虑荷载和受力情况，以提高结构布置的合理性，利于后续施工活动的进行。在具体设计活动中，也需注意以下几点：（1）基于钢结构的具体布置情况来展开设计，而且在设计前也需要基于试验结果来确定整个钢结构应力较为薄弱的位置，在对比分析后从中筛选出最合适的施工位置，保证人孔布置位置的科学性。（2）在整个布置活动中，不允许将人孔布置在相同断面位置处，需要采取错开布置的方式进行布置。同时还需要做好细节方面的综合性分析，考虑到人孔设置后该部位的承载力平衡情况，避免结构出现应力集中的情况，保证人孔布置结果的科学性。（3）在设计活动中，如果整个结构中应力较大的位置也需要布置人孔，那么在进行布置的同时，还需要计算增加后人孔应力的波动情况，并提前拟定好相应的加强措施，以提升整个结构设计结果的稳固性，保证施工后结构的安全性。

2.4 加劲肋合理化设计

在桥梁钢结构施工阶段，加劲肋的主要作用是进一步提升整个结构的承载力，延长结构的使用寿命。加劲肋位置、尺寸的合理性也将影响到钢结构应力分布均匀性、整体稳固性。基于已有设计与实践经验可以得知，加劲肋会集中布置在钢结构支座或有集中荷载的位置，具体布置位置也需要在科学分析整个结构受力情况后再决定。在具体设计活动中，也需注意以下内容：（1）综合分析钢结构的荷载分布情况，依据仿真模型试验结果来确定整个钢结构应力较为集中的位置，在对比分析后从中筛选出最合适的位置来布置加劲肋，使加劲肋的应用价值可以得到充分体现。（2）在整个布置活动中，会将加劲肋固定在具有稳定支撑作用的位置，如横梁、纵梁等部位。而且加劲肋也会根据实际情况，选择布置横向或纵向布置，过程中也会考虑加劲肋整体的承载平衡性，起到提升结构整体稳固性的作用。（3）在设计活动中，如果确定整个结构中需要增设加劲肋，那么也会优先使用竖向加劲肋，而具体的布置距离，也需要考虑整个腹板结构的厚度和剪应力。若是单一的加劲肋较难满足加固要求，还需要在原有基础上增设水平加劲肋，以此来提高整个结构的稳定性，确保结构应用后的可靠性。

2.5 结构内力科学计算

在设计活动中，为了提高设计结果的可靠性，也需要在前期做好结构内力的计算工作，依据科学计算结果来为后续施工的进行提供可靠依据。一般情况下，结构内力计算是以边孔采用单悬臂，中孔采用简支挂梁作为结构的计算模式。具体的计算阶段需注意以下内容：（1）对于桥梁纵向分布情况进行分析，并将其细分为多个单元，做好各个单元截面的编号工作，完成后进行项目数据录入，并且做好数据信息的分类统计，以提高数据分析结果的科学性。（2）在计算活动中，会基于全预应力构件来展开结构安全性验算，具体的验算内容包括结构预应力、收缩徐变情况、结构活载波动等。而且会在桥台位置处提前布置好滑动支座，桥墩位置也会布置固定支座，具体参数也需要做好科学计算，以保证设计结果的科学性。（3）在对牛腿进行计算时，需要利用建立的模型来计算牛腿尺寸与配筋率，同时在计算中也需要对牛腿截面内力、竖截面、最弱斜截面、45°斜截面抗拉性展开科学计算，为设计参数优化提供可靠依据。

2.6 钢箱梁横梁设计

在桥梁钢结构施工期间，钢箱梁横梁的主要作用是分担整个结构的承载力，以提高整个结构的稳定性。横梁尺寸、布置间距合理性也将影响到钢结构荷载稳固性。在具体的布置活动中，需要综合考虑结构受力情况后再确定具体位置。具体设计活动中，也需注意以下几点：（1）综合分析钢结构施工后的荷载分布情况，依据仿真模型试验结果来确定钢箱梁横梁的布置间距，同时对于钢箱梁横梁尺寸进行合理化设计，将钢箱梁横梁应用价值充分体现出来。（2）在整个钢箱梁横梁布置活动中，需要对竖向结构展开科学计算，而且对于横梁的跨径需进行科学性分析，同时也需要做好支座间双悬臂简支梁计算工作，必要时也会在支座位置布置竖向加劲肋，而且竖向加劲肋无法满足应用要求时，也需要在该部位增设横向加劲肋，从而提高整个结构布置结果的科学性。

2.7 钢结构材料设计

在桥梁钢结构设计阶段需做好钢结构材料设计工作，保证材料设计结果的合理性，提升整个结构的稳固性。在实际设计活动中也需注意以下几点：（1）综合分析桥梁钢结构项目的荷载分布情况，依据仿真模型试验结果来确定所需要的钢结构材料，明确钢结构材料的具体尺寸、强度要求、截面抗拉强度等参数，以提高所选钢结构材料的合理性，保证其应用价值的顺利体现。（2）在整个材料的设计活动中，也需要做好不同部位应力分布情况的考量工作，如特殊部位需要增设相应尺寸的钢结构，并且也会利用模型来分析结构整体的承载平衡性，起到提升结构整体稳固性的作用。（3）在设计活动中，还需要做好材料细部设计，并且也需要做好辅助材料（如涂料、焊接材料等）的科学选择，以此来提升整个结构的稳固性，提升设计方案的可行性。

2.8 结构防腐性设计

除上述提到的设计内容外，在实际应用中也需要做好结构防腐性设计，目前经常使用到的防腐体系如表1所示。并且在实际设计活动中也需注意以下内容：（1）综合分析桥梁钢结构所处区域的实际情况，根据获取到的分析结果，在比对表格中内容后，选出最为合适的防腐体系，以提高防腐体系设计结果的合理性，延长结构使用后的生命周期。（2）在整个防腐体系的设计活动中，也需要做好不同部位防腐层厚度、施工工序的科学设计，以提高所使用防腐体系的应用价值[1]。（3）在设计活动中，还需要做好辅助工序的处理工作，如锈迹处理要求、表面处理要求等，提高所拟定设计方案的合理性与可行性。

表1 防腐体系对比分析

3 提高桥梁钢结构整体设计质量的措施

3.1 做好基础资料整理

做好基础资料整理工作，有利于桥梁钢结构整体设计活动的有序推进，提高设计方案的科学性。在具体实践中所需整理的内容如下：（1）气候资料整理，对于桥梁工程所在位置的气候变化情况进行整理，并且利用评估体系，来分析该区域气候环境的腐蚀特征，利于后续防腐措施的科学选择。（2）水文资料整理，针对桥梁工程所在位置的水文资料（地下水水位、地表水流动情况、地表径流变道情况、历史雨季最大流量等）进行整理，以此来确定钢结构的承载要求，使其可以满足该区域的使用要求[2]。（3）地质资料整理，包括地质演变规律、是否处于地震带位置、节理发育情况等，以此来确定桥梁工程钢结构的抗震要求，利于钢结构材料选择活动的进行，保证所使用材料的合理性。

3.2 加强方案可行性论证

加强方案可行性论证，可以减少方案实施过程中的施工变更问题，减少方案执行过程中带来的成本支出。具体应用中的论证内容如下：（1）结构冲突性，利用BIM技术来建立三维模型，在模型中进行碰撞试验，根据碰撞试验来消除结构冲突问题，以提高钢结构、其他结构布置结果的合理性，减少后期施工变更问题。（2）质量性和安全性分析，根据已经建立的三维模型，对各结构受力情况进行分析，尤其是应力集中的位置，需要做好结构承载性分析，若不满足要求也需通过增设补强结构的方式，来提高整个钢结构布置结果的质量性与安全性[3]。（3）经济性分析，即分析工程所带来的综合效益，并在综合多方面因素后来优化相关内容，以提高工程施工后所带来的综合效益。

4 结束语

综上所述，在桥梁钢结构整体设计活动中，需要综合考虑多项影响因素，在客观分析这些内容的关联性之后，完成设计内容的优化与完善，提高设计方案的可行性。同时在设计活动中，也可以积累桥梁钢结构整体设计经验，从而为设计体系的不断完善提供可靠依据。