公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計(jì)研究

岳超

摘 要：交通運(yùn)輸業(yè)是促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。為了保證交通運(yùn)輸行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，人們需要提高公路橋梁建設(shè)水平。我國(guó)地域遼闊，在公路橋梁建設(shè)中，大跨度橋梁應(yīng)用越來(lái)越多。為了提高設(shè)計(jì)水平和建設(shè)質(zhì)量，設(shè)計(jì)施工人員需要對(duì)公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究和分析。本文分析了不同類(lèi)型大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了大跨度橋梁設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;大跨度橋梁;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）26-0119-03

Abstract： The transportation industry is a basic industry that promotes social and economic development. In order to ensure the stable development of the transportation industry， people need to improve the level of highway and bridge construction. China has a vast territory， and there are more and more applications of large-span bridges in highway bridge construction. In order to improve the design level and construction quality， design and construction personnel need to research and analyze the key points of the design of large-span bridges in highway bridges. This paper analyzed the design points of different types of long-span bridges， and proposed optimization measures for the design of long-span bridges.

Keywords： highway bridge;long span bridge;design points

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨度橋梁需求不斷增加，近些年來(lái)，我國(guó)加大了對(duì)大跨度橋梁的研究力度。雖然隨著大跨度橋梁建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大及建設(shè)技術(shù)水平的提高，相關(guān)的設(shè)計(jì)、建設(shè)理論越來(lái)越完善，但是因受施工環(huán)境、人為因素、技術(shù)性難題等因素影響，大跨度橋梁設(shè)計(jì)中仍然存在部分問(wèn)題。為了改善大跨度橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)大跨度橋梁的相關(guān)理論進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新研究，遵循“安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則，抓住設(shè)計(jì)重點(diǎn)，完善優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使大跨度橋梁建設(shè)成效更加顯著。

1 不同類(lèi)型大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 大跨度懸索橋設(shè)計(jì)

在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中，懸索橋的建設(shè)是橋梁建設(shè)技術(shù)水平提升的重要標(biāo)志。在一些高山地區(qū)，跨度比較大的公路橋梁建設(shè)中，懸索橋應(yīng)用比較普遍，其具有廣闊的應(yīng)用前景。懸索橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較特殊，在大跨度懸索橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，橋塔設(shè)計(jì)水平會(huì)直接影響橋梁的承載能力。懸索橋的橋塔可以依據(jù)工程情況設(shè)計(jì)為兩個(gè)，而兩個(gè)橋塔可以將懸索橋分為中跨與邊跨兩部分。橋塔設(shè)計(jì)中需要特別注意橋塔的位置，可以根據(jù)橋梁的長(zhǎng)度對(duì)橋塔位置進(jìn)行科學(xué)確定。通常，中跨以及邊跨的設(shè)計(jì)比值為2∶1或者4∶1。而橋梁的垂直比為1∶6或者1∶7。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)橋梁施工實(shí)際需求，實(shí)時(shí)對(duì)具體比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[1]。

1.2 大跨度拱橋設(shè)計(jì)

大跨度拱橋在我國(guó)早期公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用較多，隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大跨度拱橋由于其自身特點(diǎn)慢慢滿足不了跨度范圍較大的工程，大跨度拱橋主要應(yīng)用于500 m以下的跨度橋梁中，一般城市公路橋梁及在V字形山谷跨越中應(yīng)用較多。以大跨度簡(jiǎn)支拱橋設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用Midas-civil有限元軟件，建立簡(jiǎn)支拱橋支架的計(jì)算模型，通過(guò)支架應(yīng)力及撓度驗(yàn)算，確定支架系統(tǒng)各部位變形、應(yīng)力、應(yīng)變滿足規(guī)范設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度的要求，進(jìn)一步確定大跨度簡(jiǎn)支拱橋支架設(shè)計(jì)的合理性。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與拱橋結(jié)構(gòu)組合的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這種拱橋結(jié)構(gòu)的承載力比較強(qiáng)，并且施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單[2]。

1.3 大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)

一般情況下，在200～800 m的溝谷或者河流跨越橋梁建設(shè)中，大跨度斜拉橋的應(yīng)用比較普遍。在大跨度橋梁施工過(guò)程中，大跨度斜拉橋的主要優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性和承載力比較強(qiáng)，并且具有較強(qiáng)的跨越能力。大跨度斜拉橋主要包括主梁、索塔以及斜拉索三部分。主梁提供彈性支承力，受力的跨度比較小。索塔是景觀設(shè)計(jì)中的重要元素，索塔可依據(jù)施工情況及景觀展現(xiàn)要求設(shè)計(jì)成V形或倒Y形。斜拉索在大跨度斜拉橋中起到將主梁荷載傳遞給索塔的作用，由鋼索、錨具、減震裝置及保護(hù)措施組成。因此，在對(duì)該類(lèi)型大跨度橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮大跨度橋梁跨越情況，對(duì)主梁、索塔、斜拉索進(jìn)行組合。大跨度斜拉橋當(dāng)前應(yīng)用較廣，下文將設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)做詳細(xì)的闡述。

主梁是大跨度斜拉橋中的主要部件之一，是橋梁中重要的傳遞荷載與支撐部件。目前，大跨度橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用的主梁加勁梁包括疊合梁、混凝土梁、鋼梁以及混合梁等。其中，疊合梁的有效應(yīng)用可以減少橋梁結(jié)構(gòu)的占用高度。混凝土梁利用混凝土材料制作而成，其承載力以及剛度都能夠滿足橋梁建設(shè)要求。鋼梁主要是以鋼材料制作而成的主梁。在對(duì)大跨度橋梁主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)橋梁應(yīng)用要求選擇主梁結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)主梁材料、施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證主梁施工質(zhì)量[3]。

在斜拉索橋梁中，拉索作為主要支撐，使用的是柔性結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用過(guò)程中，如果受到外部作用力，這種結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)情況。例如，其在風(fēng)雨天氣中很容易受風(fēng)雨影響，拉索之間會(huì)出現(xiàn)耦合振動(dòng)或者自激振動(dòng)，這些振動(dòng)情況都會(huì)導(dǎo)致拉索錨固產(chǎn)生連鎖振動(dòng)反應(yīng)，會(huì)影響拉索的使用壽命，甚至?xí)?duì)橋梁使用安全產(chǎn)生一定影響。因此，在進(jìn)行拉索優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要重視其動(dòng)力設(shè)計(jì)工作。

大跨度斜拉橋的非線性條件和收縮徐變存在一定變化，不管是利模標(biāo)高還是斜拉索力，都會(huì)對(duì)橋梁的線性產(chǎn)生一定影響，因此需要對(duì)索力進(jìn)行合理確定。這是確保橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要基礎(chǔ)，同時(shí)是確定橋梁施工材料用量的重要保障。現(xiàn)階段，橋梁索力設(shè)計(jì)可以參照以下調(diào)整理論：針對(duì)定位儀狀態(tài)的索力設(shè)計(jì)可以利用零位移或者支撐連續(xù)梁等方法完成調(diào)整工作;在設(shè)計(jì)約束索力時(shí)，要堅(jiān)持用索量最小的原則;對(duì)不存在約束的索力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遵循彎矩最小方法，達(dá)到設(shè)計(jì)目的;應(yīng)用影響矩陣法時(shí)，計(jì)算不同加權(quán)條件下的優(yōu)化結(jié)果，獲取不同目標(biāo)函數(shù)。利用獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以對(duì)橋梁索結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，并且可以完成在大跨度橋梁施工過(guò)程中的索力調(diào)整工作[4]。

在對(duì)索塔進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要依據(jù)工程要求及施工條件對(duì)塔高進(jìn)行科學(xué)確定[5]。大跨度橋梁的索塔不能過(guò)高，太高會(huì)導(dǎo)致施工難度增加，并且會(huì)增加工程造價(jià)。而索塔過(guò)低會(huì)影響索塔的工作效率，并且會(huì)導(dǎo)致拉索受力受到影響。

2 優(yōu)化大跨度橋梁設(shè)計(jì)的策略

根據(jù)公路橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)理論，在對(duì)大跨度橋梁的一些計(jì)算量進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，要以變量方式使用，然后利用計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的預(yù)定要求，最終獲取整體設(shè)計(jì)方案。在對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可從以下方面出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.1 從橋梁整體結(jié)構(gòu)著手優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以利用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。在我國(guó)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論快速發(fā)展的過(guò)程中，采用概率法、半概率設(shè)計(jì)方法以及全概率設(shè)計(jì)方法，都可以有效增強(qiáng)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中存在的不確定因素進(jìn)行描述時(shí)，利用定量分析方法對(duì)安全性指標(biāo)和競(jìng)技性指標(biāo)進(jìn)行確定，這樣有利于協(xié)調(diào)橋梁安全性和經(jīng)濟(jì)性需求，達(dá)到大跨度橋梁設(shè)計(jì)的最優(yōu)目標(biāo)，確保大跨度橋梁設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。為了提高橋梁的實(shí)用性，還要根據(jù)具體情況建立橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。對(duì)建立的模型進(jìn)行分析，可以保證結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果。在實(shí)際施工中，要根據(jù)具體的橋梁建設(shè)需求確定最優(yōu)算法，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而提高大跨度橋梁設(shè)計(jì)水平。目前使用的優(yōu)化算法種類(lèi)比較多，如數(shù)學(xué)規(guī)劃法、最優(yōu)準(zhǔn)則法以及仿生學(xué)法，合理選擇優(yōu)化算法是提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最終效果的基礎(chǔ)[6]。

2.2 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須根據(jù)橋梁工程的具體情況，充分考慮整個(gè)橋梁的承受力、施工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，有效保證上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。其間需要從以下方面出發(fā)，對(duì)不同橋型進(jìn)行合理選擇。

2.2.1 空心板結(jié)構(gòu)橋型。這種橋梁形式施工工藝比較簡(jiǎn)單，能夠提高施工效率，降低工程投入成本。但是，該橋型跨徑比較小，橋梁高大，如果將其應(yīng)用在一些深溝橋梁中，會(huì)導(dǎo)致高跨比例不統(tǒng)一、不協(xié)調(diào)而影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該橋梁形式的上部結(jié)構(gòu)不能符合路線比較小的半徑和大超高線形，在高墩數(shù)量不斷增加的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致橋面伸縮縫增加，影響行車(chē)安全和舒適性[7]。該橋梁結(jié)構(gòu)形式不能應(yīng)用在大跨度的山區(qū)橋梁中，一般應(yīng)用在地形平緩、填土較低的中型橋梁工程或者小型橋梁工程中。

2.2.2 預(yù)制拼裝的多梁式T梁。在一些中等跨徑的橋梁施工過(guò)程中，該橋梁結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用比較普遍。其施工成本比較低，施工技術(shù)比較簡(jiǎn)單。與整體箱梁相比，其工程造價(jià)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，在一些曲線梁施工過(guò)程中，T梁是一種開(kāi)口斷面的橋梁形式，橋梁抗扭和平衡承受能力比較低。此外，曲梁彎矩作用會(huì)使橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大不平衡力，影響橋梁下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力。在曲線橋彎曲程度比較小的情況下，曲線T梁可以作為直梁進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。在施工時(shí)，要使用翼緣板寬度對(duì)橋梁平面線形進(jìn)行調(diào)整，有效緩解曲梁彎矩作用[8]。

在大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要注意的是，在選擇橋梁形式時(shí)，除了考慮橋梁形式是否與大跨度橋梁建設(shè)要求相符合之外，還要考慮施工技術(shù)是否可行，施工成本是否在預(yù)期范圍內(nèi)，這樣才能提高橋梁工程的建設(shè)效益。

2.3 下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在對(duì)大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅要優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，更要基于有關(guān)勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范，明確施工技術(shù)要點(diǎn)。例如，在傳統(tǒng)的下部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，使用的技術(shù)是將施工模板與施工平臺(tái)連接，使兩者成為一個(gè)整體。這種方式在早期施工過(guò)程中比較方便，但是施工進(jìn)入一定階段后，施工難度會(huì)增加。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前，大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)中使用的施工技術(shù)是翻模技術(shù)，施工人員需要先在模板支架上固定施工平臺(tái)，并使用塔吊完成橋梁下層模板和平臺(tái)吊裝作業(yè)，然后拆卸下層模板，并且進(jìn)行上層模板平臺(tái)的安裝和測(cè)量。對(duì)翻模技術(shù)進(jìn)行充分利用，可以有效分離施工模板和施工平臺(tái)，使模板和平臺(tái)成為互相獨(dú)立的個(gè)體，在橋梁每隔5 m的地方可以形成新的施工平臺(tái)，不僅能夠提高施工效率，而且可以保證施工的便捷性[9]。因?yàn)槎张_(tái)塔吊的工作區(qū)間始終位于直角坐標(biāo)系中，并且會(huì)沿著直線運(yùn)動(dòng)，所以翻模技術(shù)能夠有效簡(jiǎn)化橋梁施工流程，保證墩臺(tái)橋梁模板的施工質(zhì)量，防止其出現(xiàn)裂縫或者扭矩問(wèn)題。除此之外，翻模技術(shù)還能夠提高橋梁混凝土墩臺(tái)的美觀性。

3 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，公路橋梁建設(shè)有著至關(guān)重要的意義。公路橋梁本身是我國(guó)公路交通體系的重要組成部分，對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展有積極的推動(dòng)作用。隨著我國(guó)公路橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨度橋梁建設(shè)數(shù)量和規(guī)模不斷增加，促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，在大跨度橋梁建設(shè)過(guò)程中，人們要掌握大跨度橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)，根據(jù)不同類(lèi)型的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)大跨度橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。這樣才能夠提高大跨度橋梁設(shè)計(jì)水平，保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性，為后續(xù)施工提供可靠指導(dǎo)，提高大跨度橋梁建設(shè)水平，從而使大跨度橋梁在我國(guó)公路運(yùn)輸事業(yè)中發(fā)揮重要作用。

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