橋梁設計方案及設計要點的分析

馮學俊 江蘇蘇邑設計集團有限公司

1 前言

經濟的進步使得我國的交通事業(yè)也獲得了進一步發(fā)展的重要機遇，作為交通系統(tǒng)中的重要組成部分，橋梁的重要性毋庸置疑。因此，在對橋梁進行設計時，不僅需要考慮預期的應用效果與建設目標，還要考慮到與周邊環(huán)境的融合性、建設經濟性以及耐久性等。設計方案是否符合相關標準決定了橋梁的使用質量與后期維修養(yǎng)護效果，應提高對設計環(huán)節(jié)的重視，以保證設計方案實際應用的合理性與有效性。

2 設計原則

第一是應貫徹落實安全、耐久以及經濟的設計理念，同時聯(lián)系實際建設環(huán)境綜合考慮工期、養(yǎng)護條件以及造價等因素，其也是突顯橋梁建設裝配化與標準化設計理念應用優(yōu)勢的重要基礎。第二是應對地形進行充分考慮，并在滿足預期建設需求的基礎上選擇應用科學合理的施工工藝，并需要注意不同施工階段、不同地形的質量控制的難度，例如庫區(qū)或陡坡。在明確橋梁建設環(huán)境的情況下才能選擇出施工方便且較為成熟的施工技術[1]。第三是若橋梁有跨越較大寬度的道路、河流以及管線的建設需要，應將錯孔、大挑臂以及門架墩等作為橋梁架設首選方式，應用正交標準跨徑。而若是位于道路中央的分隔帶具有橋墩設置條件，建議采取中央分隔帶的設墩方案以達到豎曲線高度的降低目的。部分橋墩結構對水流或地形有著特殊的建設要求，因此應在選擇應用預制結構前制定獨柱墩或斜橋布設的方案。第四是若有互通區(qū)橋梁或配跨等特殊要求，應對視距的具體需要進行分析，包括平縱曲線以及地形條件等，以幫助進一步提升模板的施工效率。第五是確保墩身高度應與橋梁配跨相符，以將橋梁的經濟性以及上部結構的建設協(xié)調性等優(yōu)勢充分突顯出來。且需要聯(lián)系地形與立柱高度等做好動態(tài)設計工作，為其可觀賞性的進一步提升奠定堅實的基礎。

3 選擇合適的橋型方案

由于橋涵構件的特殊性，聯(lián)系工程實際建設條件后設定了上下部結構選型的重點，分別從經濟、工期、結構適用以及環(huán)境影響等角度進行了綜合比對，并選擇出了最佳的設計方案[2]。對橋位的建設條件進行綜合考慮后，制定出了三種符合建設要求的方案，分別為：雙主梁鋼板梁+預制橋墩、T梁+預制大挑臂蓋梁+預制橋墩以及T梁+樁柱式墩。隨后應對三種方案的具體應用效果進行技術經濟比對與選擇。

3.1 雙主梁鋼板梁+預制橋墩

（1）橋式布置。本方案所設計出的上部結構所選擇的主要為雙主梁鋼板，鋼板的組合梁的上部分結構也較為簡潔且整體的吊裝重量較輕。該種方式對全鋼結構的橋面疲勞問題進行了規(guī)避，從而能夠更為方便的做預制拼裝工作，相較全鋼結構費用經濟性較高。本方案所選擇建設的橋梁全長度為840m，上部采取左右兩個布置方向，而下部則選擇應用預制裝配橋梁墩，并以鉆孔灌注樁為結構建設基礎，其具體的橫斷面布置情況如圖1所示。

圖1 雙主梁鋼板梁+預制橋墩方案橫斷面

（2）上部結構布置。在進行主梁設計時，建設四車道鋼板組合梁橋的主梁應選擇應用雙主梁鋼板組合梁，其設定的單幅橋面寬度應控制在12.5m左右，整個雙幅寬度為25.5m。鋼主梁標準間距為6.75m，鋼梁與組合梁高度分別為1.75m與2.16m。

（3）下部結構與基礎。選定作為預制裝配化橋墩的立柱形式為雙柱式，其結構的截面尺寸為1.4m×1.4m，高度則通常為5m～7m，其主要選擇應用C40混凝土。建設的基礎則應選擇直徑為1.5m的灌注樁，且需要在連接時預先鑿除樁基的樁頭以方便與矩形橋墩相連接，又因為在安裝過程中需要保證對正精平，因此需要應用合適的過渡方式，一般選擇澆承臺，完成過渡后的下部結構如圖3所示。

圖3 預制裝配化橋墩連接模型

3.2 T梁+預制大挑臂蓋梁

本方案中上部結構建設采取T梁與預制大挑臂蓋梁結合的方式，全長度為845m，其橫斷面結構圖如圖4所示。該種方案橋墩與蓋梁之間的連接方式與方案1保持相同，均采取半灌漿套筒的連接形式之所以選擇應用此種結構，目的是通過構建預制大挑臂結構能夠最大限度地將墩身與蓋梁、承臺之間的接縫數(shù)量減少，是提升工程整體結構應用穩(wěn)定性的重要基礎（見圖4）。

圖4 標準橫斷面

3.3 T梁+樁柱式墩

該方案所應用的主結構為常規(guī)T梁，全長度為845m。下部結構采取鉆孔灌注樁為基礎配合常規(guī)現(xiàn)澆橋墩的建設方式，最終形成的橋梁橫斷面布置圖如圖5所示。

圖5 T梁+樁柱式墩橫斷面

4 橋型方案選擇與專家組評審

需要從經濟、結構可靠性以及技術可行等角度對三種方案進行比較，最終在結合工程所處環(huán)境條件特點與專家組評審意見后，確定選擇雙主梁鋼板梁配合預制橋墩的方式為本工程的橋梁建設方案。該方案不僅能夠保證為預制拼裝等施工工藝積累大量經驗，也是形成一套完整的橋梁裝配化設計、施工以及管理流程的重要基礎，各個階段所應用的技術由于已經較為成熟，最大限度地降低了技術手段應用不當而產生不良后果的風險。

5 鋼板梁計算分析成果驗證

5.1 模型計算

在對橋梁上部結構進行計算時，應首先選擇應用midas軟件進行結構分析，并同時利用梁單元離散結構構建空間內的桿系結構模型，其也是總體受力分析的前提條件。

5.2 參數(shù)計算

此工程的重要參數(shù)主要包括以下幾點：第一是結構重要性參數(shù)1.1；第二是設計荷載等級為公路-Ⅰ；第三是混凝土的容重應控制在每立方米26kN，瀝青鋪裝的容量應控制在每立方米24kN；第四是支座沉降量應設定10mm標準；第五是此類機構在建設時溫度應控制在-15℃～38℃。

5.3 計算結果

混凝土橋面板縱向的計算結果主要包括兩點，分別為承受能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)，最不利的位置為邊跨中，其應力值與允許應力值分別為11.8MPa，22.4MPa；正常使用極限狀態(tài)下，墩頂上緣為最不利位置，其正常使用極限裂縫寬度為0.12mm，允許值為0.15mm。

穩(wěn)定計算方面，首先是成橋階段：此時所形成的組合截面主要材料為鋼梁與混凝土，需要綜合考慮一期荷載、二期恒載與汽車荷載，并應設定恒載作為計算常量、汽車荷載為變量以更好的驗證整體穩(wěn)定性；其次是施工階段：保證鋼主梁的應用穩(wěn)定性是提升結構整體安全性的重要計算部分。混凝土鋪設完畢后，初期鋼梁與混凝土結合不夠使得其并沒有形成一個完整個體，此時的鋼主梁所處的受力狀態(tài)并不穩(wěn)定。因此在計算荷載時應重點關注混凝土自重與鋼梁，并需要核驗混凝土自重（變量）與鋼梁的結構穩(wěn)定性，從而獲得準確的一階失穩(wěn)模態(tài)。經計算鋼主梁穩(wěn)定系數(shù)為3.9，與標準設計要求相符。

在計算剛度時應考慮主梁在長期使用下的長期效應影響，控制其最大的豎向變形為23mm＜L/500=70mm，以確保結構剛度數(shù)據(jù)與規(guī)范要求相符。

6 結束語

綜上所述，明確橋梁設計原則并做好不同方案的比對篩選工作較為重要，并應綜合考慮技術標準以及施工可行性等因素。由于初步設計方案并不完善，需要經常進行變化，作為設計人員應具有足夠的實際設計與施工經驗，制定科學合理的橋梁設計方案，以奠定我國交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展基礎。