基于市政橋梁優化設計的研究

施海峰

摘 要：隨著我國城市化進程的不斷加快，市政橋梁工程的建設也在飛速發展。市政橋梁不同于其他類型的橋梁，它的存在不僅要具有實用性，還應該能夠與周圍景觀起到一定的協調作用。文章主要對市政橋梁優化設計進行了簡單的分析。

關鍵詞：市政橋梁；優化；設計

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0130-02

隨著我國經濟的不斷發展，各行各業也有了質的飛躍。伴隨著城鎮化的發展，相對的配套交通壓力也在與日俱增，城市橋梁數量的也日益增多。物質文明和精神文明的提高促使人們不再簡單的追求橋梁結構的安全性、穩定性以及滿足基本的交通要求，更希望橋梁能夠凸顯一座城市的文化，成為景觀節點，這就需要橋梁設計有新的突破，將橋梁設計與周邊環境相融合。

1 市政橋梁設計存在的問題

現階段，很多設計人員在針對橋梁設計時仍存在許多薄弱點及誤區：對橋梁結構的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結構的整體性延性不足，計算圖式和受力形式不明確等問題。這會引起諸多問題，例如：結構局部受力過大，應力集中；混凝土強度要求過低；保護層厚度不足；構件截面過小或過大等。此類問題都將會削弱橋梁結構的承載力以及耐久性，會嚴重影響橋梁的安全使用。

此外，一些橋梁設計人員缺少動態思維方式。在針對不同的環境、不同的使用條件和不同的設計對象時，不能及時根據變化因素對結構體系做出合理的應對措施。在新技術、新材料、新工藝快速發展的情況下，對橋梁設計也提出了新要求，設計人員的創新意識和與時俱進的設計理念顯得尤為重要。在結構體系上，目前的橋梁設計普遍的缺乏整體的設計規劃，過于偏重設計建成時期結構的工作和服務能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。橋梁工程是一個由許多結構構件組成的一個系統工程，設計人員要用動態思維去解決面臨的發展技術問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內，保證橋梁設計結構體系的完整性。

2 市政橋梁優化設計原則與理念

2.1 設計原則

橋梁設計基本原則是滿足橋梁自身的安全性、適用性、耐久性和經濟性的合理的對立與統一，通過最具經濟效益的技術手段完成規范所規定的設計內容。市政橋梁的設計要結合實際，全方位思考以達到橋梁整體的優化效果的目的。在設計過程中，主要可以從以下四個方面深入研究強化設計成果：

（1）在設計開始之前，盡可能的充分了解工程地點的環境條件，包括地質情況、水文條件、周邊構筑物情況以及水利需求等。設計時不僅要結合周邊的地理環境實際情況分析還要堅持可持續發展方針，在“宜橋則橋，宜擋則擋”的前提下，完善考慮業主及規劃提出的橋位所在的洪水位標高及其他條件導致的橋下凈空需求，例如下穿步道需求或通航要求，促使橋梁立面通透性增加。在城市規劃及技術條件允許的前提下，將工程成本合理的降到最低。（2）結合工程位置的地貌特點及城市的特色景觀和人文，滿足基本交通需求的情況下提高橋梁自身的觀賞性。此外，在經濟條件允許的情況下優先采用新技術、新工藝，尋求橋梁設計的突破。通過新科技合理優化結構設計，使橋梁的美觀性與協調性適度提高。（3）經濟效益通常是建設單位對橋梁設計關注的重點，因此，工程建設整體的投資與效益收益比也是在優化結構時需要注意的。根據國外學者Morse提出的橋梁設計可靠性與優化之間的關系理論，橋梁設計越可靠、水準越高，在初期的建設成本越高，但橋梁結構的期望損失值和后期維護成本越低。故在設計時，工程全期的成本總和考慮優先級應該高于前期一次性投資成本。（4）在設計過程中，需要對收集的資料信息進行合理的篩選，避免因忽略限制條件導致橋梁成型困難的問題，例如在住宅小區周邊的市政橋梁設計時除了需要做到以人為本，橋、景相融之外，也需要考慮配套的過橋管線、小區地下室紅線和周邊綠道貫通等多方面的問題，避免因此重復變更設計。橋梁的設計應以高標準、高要求進行。

2.2 設計理念

經濟、實用、安全以及美觀是橋梁設計的目標。設計人員須充分學習和借鑒優秀橋梁設計，結合實際選取適合工程的橋型結構。設計中，橋梁的跨度和橋下凈空應該滿足橋下通航或沿河漫步系統或防洪排澇需求，同時也應考慮到成橋后檢修的可能性。在橋梁設計方案階段，還需結合城市遠、近期交通發展的情況，預留結構空間滿足長期交通功能以及安全通行的需求。除此之外，在保證橋梁結構的強度、剛度、耐久性和穩定性的前提下，通過結構的優化增加橋型的創新性和美學功能，融橋入景，人景相合，凸顯地方特色。最后，橋梁的設計與結構的優化必須是可行的，在設計時就應考慮施工階段的工藝實施問題，避免因部分構件的施工措施代價過高或者工藝過度復雜而影響工程總體進度。

3 市政橋梁總體設計的優化

市政橋梁設計的主要內容包含了上部結構、下部結構（墩、臺及支座）以及伸縮縫、鋪裝和欄桿等一系列附屬工程。從橋梁總體設計角度分析，橋梁又有橋位、橋跨及橋長、橋梁橫斷面及構件尺寸等多個方面，針對這些設計的優化如下：

3.1 橋梁橋位的選取

橋位選取時要保證橋梁對道路線形的滿足，橋位周邊構筑物影響小且便于施工。橋梁設計規模和位置須與道路功能和需求相匹配。

3.2 橋跨及橋長的確定

橋長以及跨徑會直接影響到橋梁結構的尺寸選定以及穩定性，所以橋長與跨徑是橋梁設計的重點。市政道路上周邊構筑物往往相對交通橋梁復雜，因此，橋位所在環境周邊構筑物邊界可作為參考控制點，結合地形合理布置橋梁。在可行的前提下，優先考慮橋梁與線路形成正交，這樣可以優化橋梁的結構受力，提高車輛上橋的舒適性以及適當減少工程總投資。

選擇合適的跨徑需要綜合考慮橋下凈空的需求、地理環境條件和工程的總投資等多方面。橋梁孔徑布置時需要考慮施工難度，同時滿足經濟性、美觀性和安全性。市政橋梁設計一定要采用合理的布跨，保證橋梁的穩定性、橋下凈空的需求。合理的橋跨也會增加橋梁的觀賞性與結構的合理性，避免因為橋梁的跨徑不合理出現橋梁自身結構的缺陷，例如高低蓋梁橋型下墩、臺自身結構抗傾覆能力不足。

3.3 橋梁橫斷面的設計

橋梁橫斷面的設計也是市政橋梁結構設計的重點之一。市政橋梁不同于公路橋梁，往往存在著橋寬不一、斷面長度過長等問題，甚至出現全橋斷面長度超過橋長的情況。因此，橋梁橫斷面設計除了滿足道路交通需求的前提下，合理變通，考慮遠期發展可能的橋梁拼寬，預留足夠的斷面施工空間。同時，應在橫斷面設計時，堅持可持續發展并結合景觀綠化進行優化設計。

3.4 構件尺寸的擬定

橋梁各個構件尺寸的擬定是相對復雜的一步，也是結構合理性的關鍵。通常情況下，結構尺寸的初步擬定是以長期工程經驗為基礎的，在初擬尺寸情況下進行各種計算驗證與修正，包含強度、剛度、應力、變形等。通過循環的驗證與修正選取合適的尺寸滿足結構設計的需求。在景觀要求較高的情況下，異形結構的驗證修正往往耗費較多的人力成本，設計人員的初擬尺寸顯得尤為重要，充分學習和借鑒優秀的橋梁設計可以提高工作效率。

4 橋梁上部結構的設計優化

針對橋梁的設計的優化可分為上部結構、下部結構以及附屬結構，本文著重討論一下橋梁上部結構的優化方向與建議。針對市政橋梁設計，影響設計者設計進度的問題主要集中在橫截面尺寸的擬定、懸臂設計及橫隔梁的設計等方面。

橋梁的上部結構的設計主要包括梁截面的尺寸設計、梁間距等，當然對于部分橋型，還需要考慮橫隔梁和變截面的設計。以下進行具體討論：

4.1 主梁的橫截面

主梁的截面結構形式通常采用板式、肋式和箱式三種，結構形式的選擇主要依據橋梁承載力的需求以及水平應力的大小決定。板式結構通常用在中小跨徑橋梁中，肋式與箱式結構對中大型跨徑的橋梁的應用更科學。板式截面主要有實心板與空心板之分，實心板的結構高度較低、施工便捷，但受氣候因素的影響較大且施工成本較高，所以實際運用較少；反觀空心板結構受環境影響較小，且預制結構較多，施工速度較快，應用在實際工程中更為廣泛。肋式結構主要分為I型、T型和II型。T梁結構對降低主梁自重、抗彎性能好及預制方便等原因被運用得最為廣泛。另外提到的箱式截面以及板式界面中，橫截面的擬定主要從截面的高度與細部結構尺寸兩方面入手。梁高與跨徑之間的高跨比往往是設計者遵循的設計基礎，1：20左右是比較合理的高跨比，通常在橋梁跨徑確定之后作為模型試算的梁高依據。例如30m跨度的鋼桁架橋梁梁高基本在1.5m左右。但如果當地主管或者業主單位對梁高沒有特殊要求，可適當增加梁高以減少鋼束的用量，確定最環保、經濟的方案。截面細部尺寸設計主要注意在翼板或頂底板的厚度的擬定，保證截面的承受能力，同時也需要關注鋼束所在位置結構（馬蹄或腹板等）的尺寸。在市政橋梁中，經常會出現上部結構受集中荷載作用，局部應力較大的情況，可在梁端大約一倍梁高距離內適當增大腹板厚度。

4.2 主梁間距

通常，隨著跨徑和梁高增加主梁間距也需要相應增加。同時，梁間距的效率指標也受翼板之間的寬度的正影響。例如，在中華人民共和國交通部出版的《公路橋涵標準圖》中有具體表明：“主梁間距應在裝配式預應力混凝和鋼筋混凝土的簡單T型結構梁徑上，要在16-40米的范圍之間內，而主梁間距需要達到1.6米的要求，由于人行橫道的存在，因此主梁片數只有滿足要求5片，才能確保主梁間距的設計滿足橋梁整體質量”。

4.3 橫隔梁

此結構主要使用在主梁彎矩橫向分布影響較大的位置，橫隔梁的出現使梁的彎矩在橫向分布上更均勻。通常，在跨中和支點位置設計橫梁較多，特別是針對連續梁結構。

5 市政橋梁結構設計優化案例

市政橋梁結構的優化我國早幾年就已經在實施了，也存在許多優秀案例。例如在某地，需在“U”型溝谷的河床位置搭建橋梁，實測河水流速是3.3m/s，最大凍深98cm。當地環境平均溫度為10.8℃，最高氣溫39.2℃，最低氣溫-21℃。根據區域平面及路線擬定橋跨為80m+5×146m+81m，豎曲線半徑為120000m。根據優化設計的準則，橋梁選擇箱梁結構。通過高跨比的擬定及計算，跨中的梁高達到3m，翼緣板懸臂長3m。依據工程項目資料，合理優化橋梁的設計，橋梁的整體質量才能提高。

6 結語

不難看出，市政橋梁設計的優劣與橋梁各方面優化程度息息相關。設計作為工程的開端，必須要做好把控，根據相關規范實施嚴格的要求，同時做到與實際情況有機結合，才能提高整體質量。同時，橋梁設計需要多學習先進技術，完善不足，深度優化設計，改變固有思維，積累豐富經驗才能使的市政橋梁的設計發展得越來越好。

參考文獻

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