不同類型大跨度公路橋梁設(shè)計要點及優(yōu)化分析

黃超

摘 要：為了提高大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，對大跨度拱橋、大跨度斜拉橋、大跨度懸索橋等不同類型的大跨度公路橋梁設(shè)計要點進行了分析，并從大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化、整體優(yōu)化、上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方法進行了分析。實踐表明，科學合理的優(yōu)化方案可確保大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，提高公路橋梁工程的使用壽命。

關(guān)鍵詞：大跨度公路橋梁;設(shè)計;優(yōu)化

0 前言

為適應(yīng)地區(qū)交通需求，大跨度公路橋梁建設(shè)項目不斷增多。雖然當前大跨度公路橋梁建設(shè)中各項設(shè)計理念、設(shè)計方法有了改進和完善，但是考慮到不同地區(qū)地形、交通荷載要求及技術(shù)難題等因素，在開展大跨度公路橋梁設(shè)計的過程中仍存在一定的薄弱環(huán)節(jié)。面對各種造成“建設(shè)難”的問題，設(shè)計人員應(yīng)當從公路橋梁設(shè)計之初入手，通過設(shè)計方案的優(yōu)化調(diào)整，使得當下設(shè)計方案滿足工程建設(shè)的要求。

1 不同類型大跨度公路橋梁設(shè)計要點

大跨度公路橋梁建設(shè)中主要的形式包括拱橋、懸索橋及斜拉橋等，在近年我國的大型公路橋梁建設(shè)中斜拉橋有著許多身影，也是公路橋梁建設(shè)中發(fā)展最為迅速的技術(shù)。在未來的發(fā)展預測中，公路橋梁的跨度必然會更大、更長、更柔，這就需要根據(jù)不同類型公路橋梁總結(jié)好設(shè)計要點。

1.1 大跨度拱橋設(shè)計要點

拱橋在我國的公路橋梁建設(shè)進程上有著悠久的發(fā)展歷史，但是近年來隨著公路建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，大跨度拱橋的建設(shè)項目相對減少，其難以滿足更加復雜地形及跨度更大的建設(shè)要求。大跨度拱橋的跨度設(shè)計需要在500 m以下，故而城市的公路橋梁及山澗寬度較窄的情況中會有應(yīng)用。在設(shè)計時可以通過有限元軟件對公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計好計算模型，根據(jù)支架應(yīng)力將公路橋梁各部位應(yīng)力、變形及強度等指標進行確認，保證拱橋支架等部位設(shè)計的合理科學。鋼筋混凝土在拱橋結(jié)構(gòu)施工中的融合其承載力較強，施工作業(yè)相對簡單，故而有著廣泛的應(yīng)用。

1.2 大跨度斜拉橋設(shè)計要點

通常來看，大跨度斜拉橋在間距200 m～800 m的河流、河谷及山澗的跨越公路橋梁建設(shè)中會有著優(yōu)先的考慮應(yīng)用。大跨度斜拉橋設(shè)計中，穩(wěn)定性因素、承載力因素以及整體跨越能力都是首要關(guān)注的內(nèi)容，這也是斜拉橋形式的主要優(yōu)勢。而主梁、索塔以及斜拉索是應(yīng)當著重設(shè)計的部分。斜拉橋的主梁給整體結(jié)構(gòu)提供了彈性支撐力，并且其受力的跨度較小。

作為斜拉橋的主要部件，主梁對公路橋梁整體的荷載及支撐能力意義重大。當前應(yīng)用較多的主梁為鋼梁，鋼梁是基于鋼材料制作成的主梁，混合梁應(yīng)用相對較少;索塔是實現(xiàn)斜拉索拉起主梁的重要模塊，在設(shè)計中通常會進行一些景觀造型方面的考慮，多選擇倒Y型或V型。索塔的設(shè)計中高度設(shè)計必須充分考慮綜合因素，包括施工條件、施工難度、整體造價、工作效率等;斜拉索連接著主梁和索塔，是實現(xiàn)荷載傳遞的重要媒介，一般在設(shè)計中由鋼索、錨具以及相應(yīng)的減震配置構(gòu)成。作為公路橋梁中的柔性結(jié)構(gòu)，在外力作用下必然會發(fā)生振動情況。例如惡劣天氣情況下斜拉索的振動會導致連鎖反應(yīng)的出現(xiàn)，包括破壞錨具、縮短斜拉索壽命甚至影響公路橋梁安全系數(shù)等，故而斜拉索的設(shè)計必須考慮好動力設(shè)計。在不同情況下的斜拉橋設(shè)計應(yīng)當基于建設(shè)環(huán)境從主梁、索塔和斜拉索等部分進行重點設(shè)計。基于各部分關(guān)系的設(shè)計出不同性狀、結(jié)構(gòu)的公路橋梁，保證其固定能力、懸浮能力以及支撐能力。

1.3 大跨度懸索橋設(shè)計要點

懸索橋設(shè)計的發(fā)展標志著公路橋梁整體建設(shè)的發(fā)展水平。在大多數(shù)的高山地區(qū)公路橋梁項目中，懸索橋有著廣泛的應(yīng)用。大跨度懸索橋的設(shè)計應(yīng)當重點關(guān)注橋塔部分，橋塔的設(shè)計情況對懸索橋荷載能力有著直接影響。在多數(shù)的大跨度懸索橋設(shè)計中，會選擇兩個橋塔的形式結(jié)構(gòu)，兩個橋塔可以將公路橋梁整體分成邊跨和中跨。橋塔的位置設(shè)計需要重點研究，一般邊跨和中跨的設(shè)計比值控制1：4或者1：2，垂直比在1：6～1：7。各種比例確定要根據(jù)建設(shè)場地情況進行優(yōu)化計算。

2 大跨度公路橋梁設(shè)計優(yōu)化方法

2.1 局部優(yōu)化

大跨度公路橋梁設(shè)計中的局部優(yōu)化可以實現(xiàn)公路橋梁整體性能的有效提升，局部優(yōu)化可以實現(xiàn)對公路橋梁設(shè)計中部分短板的彌補提升整體公路橋梁的性能。另外，局部優(yōu)化相對容易實現(xiàn)，其變量考慮明顯少于整體優(yōu)化，且研究深度能夠更加清晰。當前局部優(yōu)化的設(shè)計可以滲透到大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)的各個部位環(huán)節(jié)，大致包括斜拉索動力優(yōu)化、加勁梁橫截面優(yōu)化、索塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、錨固優(yōu)化、懸索橋錨碇優(yōu)化、橋塔優(yōu)化等。

2.2 整體優(yōu)化

大跨度公路橋梁的結(jié)構(gòu)都非常復雜，設(shè)計中應(yīng)用到的變量繁多，在建設(shè)過程中也會有許多變化因素，因此進行大跨度公路橋梁的整體優(yōu)化設(shè)計具有較大難度。這種難度在具體設(shè)計中表現(xiàn)在優(yōu)化函數(shù)的建立及多元化變量下最優(yōu)解的計算等方面。大跨度公路橋梁設(shè)計的評價主要還是看整體設(shè)計成果，從當前的設(shè)計來看，設(shè)計中的整體動力性能、結(jié)構(gòu)性能、景觀協(xié)調(diào)及施工可行性特點都是整體優(yōu)化的目標。

2.3 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.1 預制拼裝多梁式 T 梁結(jié)構(gòu)

預制拼裝多梁式T梁在較大跨度公路橋梁設(shè)計中有廣泛應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)同整體式箱梁相比，具有施工作業(yè)簡單易行且造價更低的優(yōu)勢。因其下梁為開口斷面形式，所以平衡受力及抗扭能力都相對弱勢，但曲線梁中彎矩帶來的作用力會影響公路橋梁下部結(jié)構(gòu)的平衡。因T梁橋是直梁設(shè)計的模式，能夠靠翼緣板的寬度進行平面的線性調(diào)整，所以在彎曲度相對小的曲線橋中T梁橋可以實現(xiàn)減輕彎扭作用的目標。在公路橋梁設(shè)計的工作實踐中，這個方法通常可以用來彌補曲線T梁施工及受力方面的問題。弧形橋的設(shè)計中，其直線部分的靜荷載與動荷載不平衡也會造成一定的位移曲線，但位移程度相較彎曲梁小一些。故而設(shè)計人員在大跨度公路橋梁設(shè)計實踐中可以通過側(cè)向鏈接提升公路橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，并且最好采取懸臂注入箱式梁。在中等較大跨度的公路橋梁設(shè)計應(yīng)用中，預制拼裝多梁T型梁的采用相對其他形式有較好的成本控制。

2.3.2 簡支空心板結(jié)構(gòu)

大跨度公路橋梁設(shè)計中應(yīng)當重點關(guān)注整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括上層建筑類型模塊等。不同公路橋梁的設(shè)計需要根據(jù)項目環(huán)境考慮好經(jīng)濟性、可行性及設(shè)計力學指標等。在我國當前的公路橋梁設(shè)計中，簡支空心板結(jié)構(gòu)的公路橋梁施工技術(shù)應(yīng)用廣泛，技術(shù)更為成熟，方案設(shè)計相對簡單，但這種橋型有著較高的梁高，故而跨徑不會很大，由于梁高同跨徑之間的比例問題難以實現(xiàn)美觀角度的要求，同時高墩數(shù)量較多也會導致橋面伸縮裂縫問題。簡支空心板結(jié)構(gòu)橋型在地勢平緩且填土量較少的作業(yè)場地中應(yīng)用。

2.4 下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

公路橋梁下部結(jié)構(gòu)對整體公路橋梁有著重要支撐作用，設(shè)計人員對下部結(jié)構(gòu)設(shè)計中要加強結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，并嚴格依據(jù)勘測結(jié)果進行施工技術(shù)要點編制。在實際應(yīng)用中，建設(shè)材料和建設(shè)工藝是影響橋墩使用效果的主要因素，同時直接關(guān)系到公路橋梁使用壽命。大跨度公路橋梁下部結(jié)構(gòu)中多采用翻模技術(shù)，應(yīng)設(shè)計好承載力及極限使用狀態(tài)等相關(guān)數(shù)值，加強其穩(wěn)定性。相鄰橋墩會在相互之間的穩(wěn)定性方面造成影響，故而下部結(jié)構(gòu)設(shè)計要基于公路橋梁整體的分析對象，使得設(shè)計更為科學合理。

3 結(jié)語

大跨度公路橋梁是當前我國公路橋梁建設(shè)中的重要組成部分，設(shè)計人員應(yīng)當不斷提高公路橋梁設(shè)計能力，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)公路橋梁設(shè)計中存在的不足，在優(yōu)化設(shè)計中提高公路橋梁設(shè)計質(zhì)量，保證公路橋梁使用壽命。大跨度公路橋梁的設(shè)計要根據(jù)不同外部環(huán)境及設(shè)計指標要求確定科學化的設(shè)計方案，推動公路橋梁建設(shè)事業(yè)穩(wěn)步推進。

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