纯干货丨浅谈钢结构桥梁设计

钢结构桥梁的问世意味着桥梁设计建设行业的进步，而做好桥梁钢结构的设计工作是保证桥梁钢结构拥有高质量的前提。本文将从以下几个方面来详细分析桥梁钢结构设计的一些问题。

桥梁钢结构设计必须要符合钢结构桥梁的特性，并结合桥梁建设所处的复杂环境进行设计。所以，桥梁钢结构设计成为了桥梁建设的重点工作，必须给予充分重视。

现代桥梁钢结构的受力系统主要是由结构钢加工而成，它可以承载安全并具有较好的耐久性。虽然桥梁设计者在设计之初都已经根据相关规定来进行设计，但却无法避免桥梁钢结构在使用期内发生损坏。20世纪以来，焊接技术也广泛应用于桥梁设计建造中，局部损伤扩展是多起桥梁钢结构破坏事故的主要原因。结构损伤在很大程度上威胁着桥梁的安全性和耐久力。这就引发桥梁设计者展开了如何有力保证桥梁钢结构整体设计完整性的思考。

1、桥梁钢结构的整体性设计目标

整体性设计的终极目标是指确保桥梁钢结构在规定的使用年限内安全可靠。荷载、制造工艺、材料性能、安装方法、结构细节构造、使用环境及维护方式等多种因素决定了桥梁钢结构的整体性设计。设计不但要对结构、构造细节以及构件连接按常规考虑其强度、刚度要求，还必须对损伤与损伤容限、断裂与抗断裂等方面作出准确评定。

2、钢结构损伤及损伤容限

钢结构从材料加工过程到使用期间，其内部和表面不可避免的会形成或发生微小变化，造成一些缺陷。如果在荷载、温度、腐蚀等因素的作用下，这些缺陷甚至会不断扩展从而形成宏观裂纹，以至于大大降低了材料以及其结构力学的性能

1、设计方面

对任何一个工程来说，核心部分是设计，其优劣在很大程度上影响着工程的造价、质量、施工难度以及工期。我国虽然有一些优秀的设计，但大多都存在一定的设计问题，设计上的不合理不仅给经济带来损失使得投资加大，还给桥梁工程的质量埋下了安全隐患，严重阻碍了我国桥梁建设技术的进步。尤其是桥梁钢结构的设计，基本上遵循相同的模式，套用现成的设计，没有创新思维，也很少采用一些新材料或新结构，不能根据实际地域情况、周遭环境进行设计。加之在设计的过程中，没有充分计算钢结构的性能参数，往往为了追求稳固的效果，而随意增大强度系数，造成不必要的材料和物资的浪费。另外在参数计算中对实际使用情况考虑的不够全面，使桥梁在使用过程中出现失稳以及应力屈服的现象。这些都是钢结构桥梁设计的常见问题。

2、质量

桥梁钢结构在选材方面一定要注意质量问题，因为针对于桥梁来说，受力的主体是钢筋和混凝土，所以影响桥梁使用性能的决定性因素就是钢结构的质量。在设计时要严格遵守国家强制规范设计，不得随意降低标准设计，另外在制作钢结构时要严格按照规范进行操作，严格执行每一道工序以保证桥梁的工程质量，避免出现安全事故。

3、锈蚀现象

钢材的主要成分是铁，所以对于钢材而言不可避免的就会发生自然锈蚀现象，这也是造成桥梁设计危害的一个因素。如果钢结构锈蚀到一定程度就会严重危及桥梁安全和使用寿命。锈蚀会使结构本身的受力能力降低，使桥梁在行车荷载的作用下，整体受力不稳定，部分锈蚀严重的位置出现弯曲现象，严重的还会引发交通事故，后果不堪设想。

4、焊接工艺

焊接质量对工艺方法的依赖性较强，在影响工序质量的各因素中占有更重要的地位。其影响主要来自两个方面：一方面是工艺制订的合理性；另一方面是执行工艺的严肃性。钢结构主要是靠焊接工艺结合在一起的，焊接过程如严格不按合理的工艺执行就会产生焊接缺陷，焊接缺陷不仅给生产带来了许多困难，而且可能带来灾难性的事故。据统计很多钢结构事故中，绝大多数是由焊接缺陷而引起的。这种焊接缺欠比较容易出现在钢结构焊接的细节上，这些焊接细节问题都会影响钢结构整体受力的稳定性，不加以防范，就会埋下安全隐患。

5、不良细节构造

不良的构造细节会使几何应力集中，这在钢结构设计中是最容易被忽视的地方，也是比较容易引发事故的原因之一。桥梁钢结构因为细节设计不良致使桥梁在使用过程中，几何应力集中叠加，在可变荷载的作用下，这些细小的损伤不断扩展，导致疲劳应力的扩大，最终导致事故发生。桥梁是一个整体结构，一些不起眼的细节可能就会使整个桥梁的受力系统遭到破坏，如果某个细小的构造出现应力集中或者应力疲劳，就容易出现变形，使钢结构出现应力屈服。

1、横向抗倾覆稳定设计

轻而且强度高是钢结构的桥梁的优点，而其横向抗倾覆在小半径以及多车道的设计中是我们研究的热点内容。在早期的桥梁施工中，由于设计的疏忽，导致在施工过程中或者桥梁使用过程中发生了桥体倾覆。因为通常情况下连续钢梁的半径都比较小，因此相对而言，其跨度就显得稍大，如果此时桥面再宽于钢梁，就会增大横梁外侧支座受力，而内侧支座反而不受力，这种情况下横梁受力极其不均匀，就会发生梁体倾覆。

2、焊接结构完整性设计要点

如何保障桥梁整体稳定性的重要因素之一就是焊接结构的完整性设计，通常焊接的接头形式由于受力的不同会产生各有差异，母材结构以及受力性能受其接头部位的应力作用影响各有不同。同时，在焊接过程中无法百分百消除应力，焊接应力常常会导致焊接接头发生变形，因此导致焊接接头时形成大量缺陷，不能满足桥梁整体性设计要求。所以在设计中，必须要重点考虑焊接接头的设计，在保证满足相关规范的前提情况下，选择形式要因地制宜地，并通过焊接性检测的方式来获取疲劳和静力等级。

3、加劲肋设置

在支座或者有集中荷载处，为确保构件的局部稳定性并传递集中力必须要设置加劲肋。通常大部分人都认为加劲肋的设计是可有可无的，但实际上我们必须通过计算才能决定是否要加劲肋。加劲肋主要是在原有构件截面不足的时候用来增强桥梁的抵抗弯矩和剪力的，设置加劲肋可以有效地缩小原构件截面的大小，从而有效的降低了用钢量，节省成本。

4、钢箱梁横梁设计

如果桥梁的主道设计过宽，那就必须优化车道钢结构的宽箱梁，在设计中，必须满足其竖向计算要求，对于横梁的跨径，需要通过支座间双悬臂简支梁的计算来求得，在支座处可采取竖向加劲肋相关措施，如果竖向加劲肋不能满足使用要求时，那就要考虑横向加劲肋，其计算措施与纵向计算措施类似。

1、应该更加重视结构的耐久性问题

国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究，也取得了不少成果。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且，长期以来人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

2、重视对疲劳损伤的研究

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的，故而对疲劳损伤的研究需要引起足够的重视。

3、充分重视桥梁的超载问题

一方面，桥梁的超载可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

综上所述，桥梁钢结构设计必须要讲究一定的原则，采取一定的设计策略。对于设计中存在的重点问题，应该给予重点关注。最后，要从具备设计的整体意识，从整体上提高设计质量。