浅谈钢结构桥梁的设计与分析

浅谈钢结构桥梁的设计与分析

发表时间：2018-07-25T16:00:40.747Z 来源：《基层建设》2018年第15期作者：钟斌

[导读] 摘要：钢结构桥梁具有使用寿命长、全寿命期成本低、回收利用率高等优点，在国外应用较广泛。

上海市政工程设计研究总院上海 200092

摘要：钢结构桥梁具有使用寿命长、全寿命期成本低、回收利用率高等优点，在国外应用较广泛。以前由于其造价高于混凝土桥梁，且我国钢产量不足，钢结构桥梁只在大跨径桥梁中使用。近年来，随着我国钢材产量增加、品质提升、加工能力提高，在道路建设中采用钢结构的条件更加成熟。但我国钢结构桥梁的设计起步较晚，对钢结构桥梁的研究和应用仍然处于初步阶段，为了能够更好地应用钢结构桥梁，需要提高对设计的重视，加强理论研究及创新，提高钢结构桥梁的设计施工水平，不断提高我国道路中钢桥的建设水平，为我国经济的发展奠定坚实的基础。鉴于此，本文主要对钢结构桥梁的设计及分析进行初步探讨。

关键词：钢结构；桥梁设计；应用

1 钢结构材料的特点

钢材的塑性和韧性好，具有较好的抗震性能。在地震发生时，钢材在良好的塑性和韧性下通过变形能，较多的吸收能量，提高了钢结构的抗震性能，尤其在高烈度地震区，钢结构桥梁更是发挥着极大的作用。

钢材的抗拉、抗压、抗剪强度相对较高，构件断面小、自重轻。可建造荷载很大的桥梁，并可减轻基础的负荷，降低基础造价，便于运输和吊装。而且钢材可在品质能够控制的工厂内制作后再运至工地安装，受气候及天气影响小。整个钢结构桥梁在使用过程中易于改造，变动比较容易、灵活；从钢桥上拆换下来的旧部件可重新熔炼继续使用，节约能源。因为钢结构可工厂施工，建筑材料的运输量少，一些小部件可现场制作，施工周期短。钢结构因强度大，自重轻，因此钢结构桥梁适用范围广，且易做成大跨度。

2 钢结构桥梁设计需要满足的条件

2.1 耐久性需求

城市钢结构桥梁的使用频率较高，因此应注重耐久性的设计，因为国内外的研究和实践都表明结构耐久性对于桥梁的运营安全是至关重要的，且可以影响其设计的经济性。我国在上个世纪末就已经开始对结构耐久性进行了大量的研究。从不同的角度对钢结构桥梁设计进行分析，对结构和设计、设计与施工衔接等方面对桥梁耐久性进行了改善。

2.2 控制疲劳损伤

桥梁结构在建成后就必须经受车辆荷载和风荷载的影响，会在往复循环的影响下产生结构振动和结构的积累性疲劳，从而形成损伤。因为桥梁的构成是不连续的，存在微小的缺陷是不可避免的，而在循环荷载的作用下就容易引起微观缺陷的扩大，合并为实质性的损伤，并形成宏观裂缝。如果宏观裂缝得不到及时控制，就会导致脆性断裂，这对于钢结构桥梁是不可逆转的灾难。

2.3 桥梁设计荷载

桥梁在设计过程中应保证设计荷载满足需求，因为超载对于桥梁而言，不但引发疲劳问题，进而导致疲劳应力幅度增加、损伤加大，甚至会因为超载而产生实质性破坏。还会因为超载导致桥梁内部的损伤超过材料韧性极限，不能自我恢复，导致桥梁在正常荷载下的工况发生改变，影响桥梁的耐久性与安全，所以设计洪应充分考虑荷载的合理性设计。

3 钢结构桥梁的设计要点

3.1 重视桥梁结构的完整性设计

3.1.1桥梁钢结构的整体性设计目标

桥梁钢结构的整体性设计目标是为了确保桥梁钢结构在贵的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做出准确的评定。以便能更好的控制钢结构桥梁的整体使用性能、安全性能，做到更加科学合理的设计。

3.1.2 钢结构的损伤及损伤容限

钢结构从材料加工过程到服役期间，会有一长段的时间才能进行实际的操作施工，此环节一定不可避免发生一些故障，比如表面形成和发生微笑缺陷，其原因可能是因为在一定外部因素（荷载、温度、腐蚀等）作用下，导致材料和结构力学性能劣化，这些因素会直接或间接的造成钢结构完整性的破坏。在这个问题上，我们还要注意一点就是损伤容限，必须有专业的技术人员了，对施工过程进行有效的监督，监督损伤容限的发生，并且要有效控制其产生的条件。做法是承认钢结构在使用前存在有初始缺陷，通过结构完整性设计方法评判带缺陷或损伤的钢结构在服役期限内的安全性。

3.2 横向抗倾覆设计

自重轻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。

3.3 加劲肋设计

加劲肋通常是指在桥梁支座或负荷较重的地方设置的加强件，其主要功能是保证构件的稳定性，传送集中力量。通常，在钢结构设计过程中，很多人会忽视对加劲肋的设计，认为它没有设计的必要，但是针对不同桥梁的设计，加劲肋有其存在的必要，我们需要通过精细的计算和科学地分析，才能决定是否需要设计加劲肋。如果设计过程中需要设计加劲肋，那么应该挑选最合适的加劲肋形式（竖向和水平），比较竖向和水平两种形式，相互补充。

3.4 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