探析桥梁钢结构的完整性设计

【摘要】论文首先对我国桥梁使用的现状进行了说明，然后分析了桥梁钢结构完整性设计的理念，最后论文详细阐述了桥梁钢结构的完整性设计方法。

【关键词】桥梁，钢结构，完整性

中图分类号：K928 文献标识码： A

一、前言

随着施工技术的不断发展，对桥梁施工过程以及施工质量的要求也日益渐高。因此，积极采用科学施工技术，不断完善桥梁钢结构的完整性设计技术就成为当前一项十分紧迫的问题。

二、我国桥梁使用的现状

1、交通荷载大

经济的飞速发展使我国在近些年汽车总量急剧上升，人们的生活水平的提高也大大增加了出行的频率，以上种种情况最终的结果就是导致交通量变大，道路的荷载增加。在我国的很多城市都出现了不同程度的交通拥挤现象。为了解决这个问题，各个城市建设了很多高架桥以及立交桥，虽然缓解了交通沉重的负担，但是桥梁的荷载也成了新的问题。交通量的增加使桥梁的荷载不断增加，特别容易出现损害。

2、超载现象严重

首先，我国现在的桥梁中有很大一部分是在早期修建的，这些桥梁在修建的时候因为受到当时经济等方面的制约，所以荷载能力比较低。而这些早期建设的桥梁大部分又是处于交通紧要的地方，所以在交通量庞大的今天，经常会出现超载的现象，导致桥梁的稳定性遭到破坏。其次，为了追求利润，还有很多车辆违规超载，这些车辆的存在也使桥梁严重超载，在车辆行驶的过程中，桥梁受到交变荷载的作用，内部结构遭到破坏，尤其是一些细小的裂纹会逐渐扩大，留下安全隐患。

三、桥梁钢结构完整性设计的理念

现代桥梁的钢结构主要受力系统是由结构钢加工而成的，可以承载安全而且具有很好的耐久性。在实际设计过程中，虽然设计者在设计时都会按照相应规定和标准进行设计，并考虑其满足强度、刚度、稳定性和承载目标系数等，但却无法避免桥梁钢结构在实际使用中的内部损坏。究其主要原因就在于因为局部损伤而扩展到桥梁的整体损坏，影响到桥梁的安全性以及实际使用耐力。这就急需桥梁设计者对桥梁钢结构的整体性进行细致的设计。现代桥梁的钢结构完整性，要求既要满足传统透钢结构的强度和刚度的要求，又要与耐久度和其断裂度想关联，因此在进行桥梁钢结构设计过程中要考虑以下几点设计理念：

桥梁钢结构的整体性设计目标，是要确保桥梁钢结构在规定的使用年限内保证安全。在实际设计中，材料性能、安装方法、制造工艺以及结构细节构造等多种因素，都影响着桥梁钢结构的整体性设计。设计者不但要考虑到结构以及构造细节的实际强度和刚度的要求，还要对损伤和损伤容限以及断裂和抗断裂方面进行准确的评价。

在实际建设过程中，钢结构从材料加工过程一直到使用过程中，其内部以及表面会形成很多微小的变化，容易造成一些缺陷。在荷载、腐蚀以及温度等因素影响下，这些细小的缺陷很有可能会扩展成宏观的裂缝，大大降低了材料和材料力学的性能，这是需要设计者注意的地方。对于桥梁钢结构来说，完整性和损伤是对应来说的，实际损伤程度会影响结构的完整性。所说的损伤容限指的是，钢结构在规定的使用周期以内，抵抗因为缺陷和裂纹等其它损伤破坏的能力。损伤容限概念的使用，是承认桥梁钢结构在使用之前存在有初始缺陷，但是通过对结构完整性的有效设计，来对其安全性进行评判。

四、现代桥梁钢结构完整性设计探究

1、桥梁钢结构完整性设计

桥梁钢结构完整性设计一定要以科学的手段和理论作为支撑，同时在进行设计的时候要考虑桥梁施工地点的环境和桥梁建成后的使用特点，这样桥梁的安全性和科学性才能得到保证。在进行桥梁钢结构完整性设计的时候，对钢结构轴心受拉构件设计一定要非常重视。对于桥梁工程中的部分钢结构而言，通常是以结构未出现变形的情况作为依据进行分析，这样得到的结果就非常的精确了。桥梁在使用的时候，变形和负荷之间有着一定的关系，对于这种关系进行分析的方法就是几何线性分析。对于桥梁钢结构来说，一定要以变形后的结构来作为计算的依据，这样进行的内力分析，才能在结果上保证误差不会很大。在以变形后的结构作为计算的依据时，要对材料的弹性进行分析，这样可以更好的对结构进行分析。对结构、构件和截面的延性进行分析，可以更好的对钢结构的最大承载力进行计算。结构、构件和截面的后期变形能力可以用延性来进行表示，延性较差就说明其后期变形能力较小，在承受大的负载的情况下非常容易出现损坏的情况。桥梁有着自身负重过重、承载量高、使用时间久等缺陷，监督人员对材料把关不严、施工人员操作失误，设计人员的不科学设计都可能导致桥梁的坍塌，给桥梁本身造成严重危害。倘若路基不均匀等，会导致道桥在使用中路基沉陷或裂缝等状况发生。所以在对桥梁进行建设时需要增加桥梁本身的承载力与抗压力。使用高新科技对桥梁钢结构进行合理化设计，保证桥梁钢结构的完整性，需要把桥梁看做一个整体，在钢结构中，不能使某一部分出现失误，因为每部分的失误都有可能带来整体的损害。

在钢结构设计中，水平荷载对结构产生的作用也要重视，钢结构在水平力荷载作用下，结构会出现剪切变形的情况，同时也会出现弯曲变形的情况。剪切变形的出现是由于剪力引起的，剪力是水平荷载的积累，剪力发生的时候通常是作用于钢结构的下部，因此，避免钢结构受到水平剪力的作用一定要对结构的底部进行加强。水平荷载的传递途径就是直接通过剪力才进行传递，而出现弯曲变形的情况就是由于水平荷载导致的倾覆弯矩引起的，倾覆弯矩会导致结构的一侧出现受拉的情况，另外一侧出现受压的情况，这样就会导致水平荷载通过结构的弯曲变形转换成为竖向力。水平荷载和竖向荷载都会以剪力的形式对结构的底部进行破坏。在钢结构的完整设计中，对结构的延性做到符合要求非常重要，这样可以避免出现钢筋混凝土被破坏的情况。钢筋混凝土被破坏主要有两种形式，一种是弯曲破坏，一种是剪切破坏。发生弯曲破坏的时候，钢筋就会出现变形的情况，这样就会影响塑性变形能力。在受到剪切破坏的时候，就会出现延性较小的情况，这样就使得延性达不到使用的要求。在进行钢结构设计的时候，一定要使抗剪能力大于抗弯能力，这样能更好的保证钢结构的使用效果。

2、桥梁钢结构完整性施工

在桥梁钢结构完整性设计完成后施工人员需要做好施工工作，主要包括做好施工缝的处理工作。因施工组织需要而在各施工单元分区间留设的缝。施工缝并不是一种真实存在的“缝”，它只是因后浇注混凝土超过初凝时间，而与先浇注的混凝土之间存在一个结合面，该结合面就称之为施工缝。因混凝土先后浇注形成的结合面容易出现各种隐患及质量问题，因此不同的结构工程对施工缝的处理都需要慎之又慎。受到施工工艺的限制，按计划中断施工而形成的接缝，被称为施工缝。混凝土结构由于分层浇筑，在本层混凝土与上一层混凝土之间形成的缝隙，就是最常见的施工缝。所以并不是真正意义上的缝，而应该是一个面。做好钢结构的焊接。钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展，脆断前无任何预兆而突然发生，破坏。这种焊缝是一种安装焊缝，不可能满焊，更不可能用做主要受力焊缝。钢板的层状撕裂一般在板厚方向有较大拉应力时发生，在焊接节点中，焊缝冷却时，会产生收缩变形。如果很薄或没有对变形的约束，钢板会发生变形从而释放了应力。在约束很强的区域，由于焊缝收缩引起的局部应力可能数倍于材料的屈服极限，致使钢板产生层状撕裂。钢结构在一处连接中通常只用一种连接手段，即或用焊接、或用铆接，或用螺栓连接焊缝的变形能力不如螺栓连接，侧面角焊缝的极限变形大约相当于有预拉力的高强螺栓连接滑动结束时的变形。因此，当焊接和高强螺栓一起用时，连接所能承受的极限荷载大约相当于焊接的极限荷载加上螺栓连接的抗滑荷载。由此可见把普通螺栓和焊缝用在同一个剪面上显然是不适宜的，另一方面，正面角焊缝的延性很低，不宜和高强螺栓共用。焊缝和高强螺栓在承受静力荷载时能够较好地协同工作，但在承受产生疲劳作用的重复荷载却并不如此。混合连接的疲劳寿命和仅有焊缝地连接差不多。焊缝和高强螺栓共用时，还有一个施工程序问题。如果先施焊而后上紧螺栓，板层间有可能因焊接变形而产生缝隙，拧紧时不易达到需要的预拉力。如果先上紧螺栓而后施焊，高温可能使螺栓预拉力下降，合理的办法是对螺栓初拧至设计预拉力的60%，再行施焊，焊后对螺栓终拧。

五、结束语

在桥梁的施工过程中只有对桥梁使用中存在的问题和完整性设计的理念等相关内容，进行了细致的分析和研究。在桥梁钢结构的完整性设计工作中运用科学的方法进行探究，才能不断的促进设计工作的开展。