探析大跨度橋梁設計的設計要點與優(yōu)化策略

趙中成

(山東省公路設計咨詢有限公司， 山東 濟南 250102)

0 引言

雖然目前我國的橋梁設計水平與過去相比已經(jīng)得到了一定程度上的提升，并且已經(jīng)具備解決大跨度橋梁在設計運行過程中存在的問題的能力，但是隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，橋梁對跨度的需求漸漸提高，要想使大跨度橋梁能夠長期、安全、穩(wěn)定地投入使用，這需要橋梁設計人員深入探析橋梁的設計要點，制定科學的設計方案，并且在工程建設期間隨時對橋梁結構進行優(yōu)化，從而保證大跨度橋梁在正式投入運行后能長期保證其安全性和穩(wěn)定性。

1 對大跨度橋梁設計要點的分析

由于目前我國橋梁施工技術比較成熟，大跨度橋梁的結構形式多種多樣，主要有斜拉橋、懸索橋、拱橋以及其他一些比如全索橋、索桁橋等新型橋式結構。但是斜拉橋、懸索橋和拱橋與其他橋式相比，在技術熟練度和結構安全性方面具有極強的優(yōu)勢，這使其成為大跨度橋梁發(fā)展的主流。

1.1 大跨度斜拉橋的設計要點

大跨度斜拉橋與其他橋梁結構相比，其優(yōu)勢在于跨度非常大的同時穩(wěn)定性非常高，而且具有較強的承載力，突破了以往梁式結構橋梁跨越能力不足的限制。并且由于大跨徑斜拉橋的構成結構可以分為簡單的三部分（主梁、斜拉索、塔柱），設計人員在斜拉橋的設計環(huán)節(jié)可以根據(jù)三部分之間不同的組合關系進行再次組合，設計出形狀、結構各不相同的橋梁。需要注意的是，在設計橋梁的索面時應當根據(jù)橋梁所能承受的最大力度將索面設計為平行索面或者雙斜索面。由于斜拉橋的拉索自身具備“自錨”特征，因此在河流或是峽谷地帶施工時并不需要固定橋梁的錨碇，因此大跨徑斜拉橋普遍設計使用在跨徑200～800m的區(qū)間范圍內。

1.2 大跨度懸索橋的設計要點

由于我國的內陸地區(qū)多山，山區(qū)的道路建設常常需要借助大跨度橋梁實現(xiàn)對道路的連結。因此懸索橋設計成為了廣泛應用于我國山區(qū)的大跨度橋梁結構設計類型。懸索橋橋梁結構主要由塔柱、主纜、錨碇和加勁梁等部分組成，對我國山區(qū)跨徑比較大、高度非常高的環(huán)境非常適應，比如我國的南京長江大橋、潤揚長江公路大橋、舟山西堠門大橋都是世界聞名的大跨徑懸索橋。目前常規(guī)的懸索橋設計通常在橋梁兩端設計塔柱用來支撐橋身，為了保證塔柱能夠具備良好的承載力，一般會用鋼筋混凝土材料，固定橋梁兩端的懸索連結橋梁和塔柱，整個懸索橋被分為一個中跨和兩個邊跨共三個部分，邊跨的具體長度應當根據(jù)錨固的位置和具體工程的成本確定。在一般情況下，設計人會根據(jù)塔橋的高度調整邊跨與中跨的長度比例。

1.3 拱橋的設計要點

拱橋在我國橋梁建筑史上是使用時間最長的一種類型。過去由于技術和材料的限制，留存于世的拱橋主要以石拱橋為主。但在現(xiàn)代科學技術的支持下，以鋼筋結構為主體和以鋼筋混凝土結合傳統(tǒng)石拱橋的設計漸漸成為了拱橋設計主流。拱橋的與其他橋梁相比，施工過程簡單、工期短、承載力非常高、實用性和經(jīng)濟性又比較強，所以我國山區(qū)在進行大跨度橋梁設計時常常把拱橋作為首選的設計類型。

雖然拱橋與斜拉橋、懸索橋相比跨度不夠，但是在跨徑相對較小的橋梁施工中卻有著其他橋梁無法比擬的優(yōu)勢。因此，拱橋結構常被應用于跨徑短，且地形呈“V”型的峽谷地帶。如果拱橋建設中選擇鋼筋混凝土為主要材料，那么拱肋通常就會被分為實體拱肋和桁式拱肋兩種形式。在采用實體拱肋時應當根據(jù)橋梁所需跨徑的大小選擇單管或者多管形式。需要注意的是，單管實體拱肋由于抗彎性不好，只能應用到橋梁跨徑小于80m的拱橋施工，而多管桁式拱肋因為在管中插入了直徑較小的鋼管，其制成的拱肋抗彎能力被大大提高，因此可將其應用于跨徑超過100m的拱橋中

2 大跨度橋梁設計的優(yōu)化策略

雖然橋梁結構優(yōu)化的理論早在19世紀就出現(xiàn)了，但是卻很少有這方面的研究出現(xiàn)。在20世紀60年代，國外開始有學者和工程師對橋梁結構設計優(yōu)化策略進行研究，國內起步稍晚，在20世紀70年代末才有與橋梁結構設計優(yōu)化的研究出現(xiàn)。

2.1 局部優(yōu)化

（1）對加勁梁的橫截面進行優(yōu)化

疊合梁、鋼梁、混合梁以及混凝土梁是加勁梁的組成部分，但是就目前我國已經(jīng)建成的大跨度橋梁來說，其往往將鋼梁作為主跨梁形式，混凝土和鋼梁結合使用的形式非常少見。

（2）對斜拉索進行優(yōu)化

大跨度橋梁在建設過程中常常采用斜拉橋或懸索橋這兩種橋式，二者的橋身都需要拉索進行支撐。而且由于外部環(huán)境刺激無法避免，拉索很容易發(fā)生振動，影響橋梁的穩(wěn)固。

（3）對橋墩和橋基礎進行優(yōu)化

橋墩和橋基礎作為橋梁的重要支撐結構，一旦因為所處位置不當、數(shù)量不合理或者結構不穩(wěn)固使其自身穩(wěn)定性受到影響，就會對橋梁整體的穩(wěn)固性和耐久性產生巨大影響。因此設計人員在對橋墩和基礎進行設計時，應當對橋梁整體進行綜合考量。

2.2 整體優(yōu)化

由于大跨度橋梁的結構特點非常復雜，設計的標量較多，在設計時需要考慮很多方面的內容，使得要對大跨度橋梁整體設計進行優(yōu)化非常困難。所以在目前的研究成果中有關對大跨度橋梁進行整體優(yōu)化的內容非常少，但是依托橋梁建設技術的不斷提高，對大跨度橋梁進行整體優(yōu)化是一定能夠實現(xiàn)的。

2.3 對橋梁上部結構的優(yōu)化

在對橋梁上部結構形式進行選擇時，應當以橋梁的實際使用情況為根本，全面細致地將橋梁承受力、施工工藝和技術難度和經(jīng)濟性列入考察范圍內。這里以簡支的空心板結構橋型舉例：這種橋型施工簡便、工藝成熟，但是由于其跨徑較小，常常會受到橋梁跨徑需求帶來的局限，容易導致跨深溝橋梁的高跨比例不夠協(xié)調統(tǒng)一。而且由于其不協(xié)調、不統(tǒng)一導致的上部結構無法和路線較小的半徑和超高的線性相符，使得在高墩數(shù)量漸漸增加后，橋面的伸縮縫也逐漸增多，縮短橋梁使用年限。

2.4 橋梁墩臺塔吊結構優(yōu)化

傳統(tǒng)的翻模施工技術是通過對塔吊的利用，將施工模板一層層吊起后再由施工人員進行施工。而橋梁的墩臺塔吊翻模施工技術則是通過分離施工模板與施工平臺的方式使橋梁每隔5m處就可以產生一個新的施工平臺，這樣便捷的施工方式可以簡化橋梁的施工過程，避免建造出來的墩臺橋梁的模板出現(xiàn)裂縫或是平臺偏扭，是美化橋梁混凝土墩臺外觀的好辦法。

3 結束語

我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，在未來會對我國的道路交通建設事業(yè)發(fā)展水平提出更高的要求，這實際上是我國道路交通建設水平進一步提高的機遇，也是推動我國橋梁建設方面不斷進行開拓創(chuàng)新的動力。在進行大跨度橋梁設計的過程中，要求設計人員能夠深入探究把握橋梁設計的要點，綜合橋梁建設工程的實際情況，對橋梁結構進行合理的優(yōu)化，這才是提高我國大跨度橋梁設計水平，推動我國橋建事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的根本手段。

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[2]吳鵬，吳燕蘭. 大跨度橋梁設計要點與優(yōu)化策略[J]. 交通世界 , 2017(32) :96-97.

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