公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計研究

隋春來

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，廣東 深圳518034）

1 引言

我國國土幅員遼闊，遍布著大量地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，很多地方都需建設(shè)大跨度的公路橋梁來滿足我國經(jīng)濟、社會發(fā)展的主、客觀需要。因此，大跨度公路橋梁的設(shè)計工作受到了越來越多的重視。要想促進大跨度公路橋梁的發(fā)展，必須提升其穩(wěn)定性和耐久性，這就對大跨度公路橋梁的設(shè)計提出了更高的要求，需要展開進一步的研究工作，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，提升大跨度公路橋梁的整體建設(shè)質(zhì)量。

2 大跨度公路橋梁的設(shè)計要點

大跨度公路橋梁在當(dāng)今實際工程中使用最多的有3 種，即大跨度斜攔橋梁、大跨度懸索橋梁和大跨度拱形橋梁。分別闡釋如上。

2.1 大跨度斜拉橋梁設(shè)計

大跨度斜拉橋梁多采用200～800m 跨度，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及跨越能力，多用于跨越水面較寬的江、海、峽谷等。大跨度斜拉橋梁主要由主梁、索塔、斜拉索3 部分構(gòu)成。橋梁設(shè)計過程中，為避免部分特殊地質(zhì)條件對橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響，需要結(jié)合勘察資料及實際的建設(shè)條件，通過對橋梁跨徑、結(jié)構(gòu)體系、錨拉體系等設(shè)計要素進行組合，以達到采用不同的斜拉橋型來滿足不同的景觀及使用需求。

在大跨度斜拉橋梁設(shè)計過程中需對橋梁索面設(shè)計予以足夠的重視。根據(jù)橋梁的受力體系特點有針對性地選擇索面類型。現(xiàn)階段已建成的大跨度斜拉橋梁中，雙斜索面、平行索面是較為常見的承載索面【1】。

2.2 大跨度懸索橋梁設(shè)計

大跨度懸索橋梁多應(yīng)用于高差起伏較大，距離較遠(yuǎn)的山林谷地，橋梁跨徑不大于2 000m。橋梁主要包括索塔、主纜、吊索、加勁梁、錨碇等結(jié)構(gòu)。根據(jù)懸索橋結(jié)構(gòu)受力特點，橋梁設(shè)計時多將索塔設(shè)于被跨越的山谷兩側(cè)高地作為懸索橋的主要承力結(jié)構(gòu)，通過加勁梁、吊索、主纜、索塔層層傳力，以達到大跨度跨越的設(shè)計目的。懸索橋多采用3 跨結(jié)構(gòu)，以索塔作為邊跨與中跨的分界。為保證懸索橋的強度，索塔塔身的混凝土強度等級不宜低于C40，鋼索塔、鋼加勁梁宜采用牌號Q345、Q390 的鋼材。

2.3 大跨度拱形橋梁設(shè)計

大跨度拱形橋梁是在傳統(tǒng)拱橋的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。設(shè)計人員在傳統(tǒng)拱橋基礎(chǔ)上加入現(xiàn)代設(shè)計元素，引入各類新技術(shù)、新工藝、新材料，最終設(shè)計完善成為大跨度拱形橋梁。其相較于傳統(tǒng)拱橋優(yōu)勢較為顯著，在施工工期顯著縮短、承載能力成倍增長、所用的材料成本相對較低的同時，大跨度拱形橋梁的跨度、穩(wěn)定性、可靠性顯著提升【2】。

在淺層地質(zhì)條件較好的山地、峽谷，公路大跨度拱形橋梁屬于首選類型。根據(jù)拱形橋的結(jié)構(gòu)承載形式，現(xiàn)階段公路大跨度拱形橋梁較為常見的有上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋。根據(jù)拱形橋的筑造材料，現(xiàn)階段公路大跨度拱形橋梁較為常見的有鋼筋混凝土拱橋、鋼桁架拱橋和鋼管混凝土結(jié)合拱橋，其中尤以鋼管混凝土結(jié)合拱橋最為常見。

3 改善大跨度公路橋梁設(shè)計水平的優(yōu)化措施

3.1 大跨度公路橋梁整體設(shè)計優(yōu)化

大跨度公路橋梁跨越的往往都是高山丘壑，橋梁設(shè)計的安全性尤為重要。因此，無論從結(jié)構(gòu)承載力方面，還是從結(jié)構(gòu)耐久性方面，都導(dǎo)致了幾乎所有類型的大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)都異常復(fù)雜，這就造成在大跨度公路橋梁建設(shè)過程中，其設(shè)計難度和復(fù)雜性居高不下。而受限于復(fù)雜的地理結(jié)構(gòu)，及大跨度公路橋梁多為高次超靜定結(jié)構(gòu)的特點，橋梁在模擬計算過程中會受到很多環(huán)境地質(zhì)因素、建筑材料因素、氣候水文因素等復(fù)雜因素的影響。這些因素在橋梁施工期間同樣會對大跨度公路橋梁的施工帶來難度上的提升。

因此，如何能夠在采取有效措施保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、耐久的前提下，對大跨度公路橋梁整體設(shè)計進行優(yōu)化，降低橋梁的施工難度，合理控制建設(shè)難度和施工成本，是大跨度公路橋梁整體設(shè)計需要優(yōu)化的主要方向。

3.2 大跨度公路橋梁局部設(shè)計優(yōu)化

隨著橋梁設(shè)計技術(shù)及筑橋材料性能的日益提高，越來越多的新技術(shù)、新工藝、新材料不斷投入使用，有效地彌補了原有橋梁體系中的短板，提升了橋梁的承載能力和使用壽命。大跨度橋梁的局部優(yōu)化就是有針對性地對橋梁的受力構(gòu)件、易損構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)及強度優(yōu)化，在提升橋梁結(jié)構(gòu)安全度和耐久度的同時，增加橋梁的跨越能力，降低了橋梁的工程造價。

現(xiàn)階段，我國鋼材產(chǎn)能大大提升，鋼材價格不斷降低，使得鋼材作為一種重量更輕、抗拉強度更好的結(jié)構(gòu)材料，越來越多地被應(yīng)用在了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。通過將原本橋梁結(jié)構(gòu)中自重大、跨越能力弱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)替換為鋼結(jié)構(gòu)梁體或鋼混疊合梁體，大大降低了梁體的自重，在梁高高度降低的同時，大幅度提高了橋梁的整體跨度。公路大跨度斜拉橋和懸索橋的加勁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是基于此項方式進行的。

而對橋梁跨徑比、垂直比、矢跨比等的深入研究，對橋梁自振頻率和結(jié)構(gòu)共振理論的不斷探索、多種阻尼材料的研制和應(yīng)用，也不斷為公路大跨度橋梁的跨度加大、強度增強、耐久度及安全性提升提供了堅實的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

3.3 大跨度公路橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

大跨度公路橋梁從立項、投資、設(shè)計、施工的全過程涉及各項因素，是一個復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。對于大跨度公路橋梁上部結(jié)構(gòu)來說，其設(shè)計優(yōu)化是整個大跨度公路橋梁建設(shè)改良的重要部分。設(shè)計人員需要考慮大跨度公路橋梁在施工過程中存在的技術(shù)局限性，掌握大跨度公路橋梁的最大承載能力，合理控制工程的建設(shè)成本。對于部分較為復(fù)雜的地形、地貌區(qū)域，大跨度公路橋梁應(yīng)根據(jù)自身跨度、轉(zhuǎn)彎半徑、梁底凈空等因素綜合考量，選取適合的梁體結(jié)構(gòu)。如空心板高跨比大，跨徑小，適用于地形相對平緩、跨度相對較小路段；T 梁為開口斷面，抗彎性能相對較差，適用于地形相對陡峭、跨度中等、路線較為平直的路段；等截面箱梁抗彎性能好，適用于跨度中等的平直路段及轉(zhuǎn)彎半徑較小的路段；變截面懸臂梁跨徑較大，結(jié)構(gòu)抗彎能力強，適用于跨度較大、轉(zhuǎn)彎半徑較小的路段等。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)充分利用和發(fā)揮所選結(jié)構(gòu)的受力特點，利用不同梁體的特點，合理選擇橋梁的上部結(jié)構(gòu)，確保大跨度公路橋梁自身結(jié)構(gòu)特性及其性能可以充分發(fā)揮，保證大跨度公路橋梁最終建設(shè)效果【3】。

3.4 大跨度公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

對于大跨度公路橋梁的橋墩、樁基，其布設(shè)位置和數(shù)量變化都會對橋梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為提高大跨度公路橋梁穩(wěn)定性，必須對橋墩和樁基進行優(yōu)化。橋墩設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的寬度合理選擇橋墩布設(shè)寬度，橋墩宜采用多墩結(jié)構(gòu)，增加橋梁的抗傾覆能力。同時，橋墩設(shè)計過程中需注意把握結(jié)構(gòu)剛度，合理分配同一聯(lián)的墩頂力，充分發(fā)揮每根橋墩的作用。橋梁樁基布置應(yīng)結(jié)合橋墩布置方式對應(yīng)設(shè)置，同一橋墩下樁基長度及持力層應(yīng)盡量保持一致，并結(jié)合地勘資料進行樁基驗算。

4 結(jié)語

我國經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，不斷推動公路交通體系的完善。大跨度公路橋梁是交通體系的重要組成部分，推動其進一步發(fā)展是當(dāng)前一項重要工作。大跨度公路橋梁設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合實際需要，對自身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保大跨度公路橋梁的整體建設(shè)成效。實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的同時，為我國經(jīng)濟、社會建設(shè)做出重要貢獻。