公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計(jì)思考分析

欒坤鵬

【摘要】在公路橋梁設(shè)計(jì)過程中，大跨度橋梁具有較大的設(shè)計(jì)難度，對于施工技術(shù)也提出更高的要求。社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們也更加關(guān)注公路橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量。提高公路橋梁設(shè)計(jì)水平，有利于提高人們生產(chǎn)生活的便利性，因此需要加強(qiáng)研究大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作。本文分析了公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作，通過提出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對于實(shí)際工作起到參考作用，保障公路橋梁施工質(zhì)量，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

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

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.04.032

引言：

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，不斷增加大跨度橋梁的需求，因此我國加大力度研究大跨度橋梁。近些年我國不斷擴(kuò)大大跨度橋梁的建設(shè)規(guī)模，同時(shí)也在不斷完善相關(guān)設(shè)計(jì)理論，但是在大跨度橋梁工程中，施工環(huán)境和人為因素等都會影響到設(shè)計(jì)效果，因此在大跨度橋梁中還存在一些問題。為了優(yōu)化大跨度橋梁設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)創(chuàng)新大跨度橋梁設(shè)計(jì)理論，不斷完善大跨度橋梁設(shè)計(jì)方案，保障大跨度橋梁建設(shè)效果。

1、概述大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

大跨度橋梁主要包括斜拉橋和拱橋以及懸索橋等，其中斜拉橋和懸索橋應(yīng)用頻率比較高，而斜拉橋發(fā)展速度比較快。近些年我國不斷發(fā)展大跨度橋梁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，例如港珠澳大橋和青島海灣大橋的規(guī)模和施工水平等已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，其中港珠澳大橋在2018年通車，全長達(dá)到5500m，而青島海灣大橋結(jié)合應(yīng)用斜拉橋和懸索橋，全長達(dá)到2670.7m。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，將會逐漸增高大橋梁的跨度，因此相關(guān)人員需要繼續(xù)探索大跨度橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)【1】。

在大跨度橋梁設(shè)計(jì)過程中，需要確保大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性以及美觀性，這是大跨度橋梁設(shè)計(jì)重要的考慮內(nèi)容。針對原來的大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求，并且需要綜合類似工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，建立科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，再通過合理計(jì)算強(qiáng)度和溫度等要素，從而確定判斷結(jié)果，但是利用這種方法確定的方案缺乏經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，因此當(dāng)前設(shè)計(jì)人員還需要進(jìn)一步優(yōu)化大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作。

2、不同類型大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1大跨度懸索橋的設(shè)計(jì)

建設(shè)懸索橋可以提高橋梁施工水平，當(dāng)前在山區(qū)大跨度公路橋梁建設(shè)過程中普遍利用懸索橋，因此懸索橋在我國具有良好的發(fā)展前景。懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較特殊，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中大跨度橋梁設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系到橋梁承載力，需要引起設(shè)計(jì)人員的重視。懸索橋可以被分為中跨和邊跨兩部分，因此設(shè)計(jì)人員需要重視橋塔的位置，根據(jù)橋梁長度科學(xué)的確定橋塔位置。當(dāng)前中跨和邊跨設(shè)計(jì)比例通常選用2：1或者4：1，而橋梁垂直比主要是利用1：6或者：7。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合橋梁施工要求合理調(diào)整具體的比例【2】。

2.2大跨度拱形橋梁設(shè)計(jì)

大跨度橋梁拱形橋梁的基礎(chǔ)是傳統(tǒng)拱橋，設(shè)計(jì)人員融合傳統(tǒng)拱橋基礎(chǔ)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)元素，并且引入各種新技術(shù)和新工藝等，保障大跨度橋梁拱形橋梁設(shè)計(jì)效果。對比傳統(tǒng)拱橋，大跨度拱橋具有顯著的優(yōu)勢，不僅可以明顯縮短工期，同時(shí)可以提高整體承載力，并且利用相對低價(jià)的施工材料，此外大跨度拱形橋梁還具有顯著的可靠性和穩(wěn)定性。

大跨度橋梁拱形橋梁適用于淺層地質(zhì)較好的山地和峽谷等地，設(shè)計(jì)人員根據(jù)拱橋承載形式，可以選用上承式拱橋和中承式拱橋以及下承式拱橋。從橋梁施工材料出發(fā)，當(dāng)前常用的大跨度拱形橋梁包括鋼筋混凝土拱橋和鋼桁架拱橋等，其中比較常用的拱橋形式為鋼管混凝土結(jié)合拱橋【3】。

2.3大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)

在大跨度橋梁中，大跨度斜拉橋具有較高的穩(wěn)定性和承載力，此外還具有顯著的跨越能力。大跨度斜拉橋主要包括主梁和索塔以及斜拉索三部分，主梁負(fù)責(zé)體用彈性支承力，具有較小的受力跨度。索塔是大跨度斜拉橋景觀設(shè)計(jì)的重要部分，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)景觀要求設(shè)計(jì)索塔為V形和倒Y形。在大跨度斜拉橋中，斜拉索可以向索塔傳遞主梁荷載，主要包括鋼索和錨具以及減震裝置等。因此在設(shè)計(jì)大跨度斜拉橋的過程中，設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮大跨度橋梁跨越情況，合理組合主梁和索塔以及斜拉索等。

在大跨度斜拉橋中主梁屬于重要的一部分，發(fā)揮著荷載傳遞和支撐等作用。當(dāng)前大跨度斜拉橋主梁包括疊合梁和混凝土梁以及鋼梁等。利用疊合梁可以降低橋梁占用高度。而混凝土梁主要是利用混凝土材料，具有顯著的承載力和剛度優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)大跨度橋梁主梁的過程中，需要根據(jù)工程特征合理選擇主梁形式，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)主梁材料和施工技術(shù)等，因此提高主梁設(shè)計(jì)水平【4】。

拉索是斜拉橋的主要支撐結(jié)構(gòu)，在外力的影響下，拉索很容易發(fā)生振動問題。例如在風(fēng)雨的影響下，拉索將會產(chǎn)生耦合振動和自激振動，同時(shí)會產(chǎn)生連鎖振動反應(yīng)，從而縮短拉索結(jié)構(gòu)使用壽命，甚至?xí)绊懙綐蛄喊踩?。因此在?yōu)化設(shè)計(jì)拉索的過程中，需要注重設(shè)計(jì)動力結(jié)構(gòu)。

大跨度斜拉橋會改變非線性條件和收縮徐變，因此需要合理確定索力，因此提高整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。在橋梁索力設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以利用定位儀開展索力設(shè)計(jì)工作，并且綜合零位移和支撐連續(xù)墻等方式實(shí)施調(diào)整。在約束索力設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要遵守索量最小原則，設(shè)計(jì)沒有約束的索力，可以利用彎矩最小方法。設(shè)計(jì)人員利用影響矩陣法的過程中，在不同加權(quán)條件下開展計(jì)算工作，保障目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確的評估橋梁索結(jié)構(gòu)，并且方便在實(shí)際施工中調(diào)整索力。

在設(shè)計(jì)索塔的過程中，需要綜合工程要求和施工條件等科學(xué)的確定塔高，要注意嚴(yán)格控制索塔高度，如果索塔較高將會增加整體施工難度，同時(shí)還會增加整體工程造價(jià)。如果索塔過低將會降低整體工作效率，同時(shí)還會硬性奧拉索受力【5】。

3、大跨度公路橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

3.1整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)榇罂缍葮蛄菏┕きh(huán)境比較特殊，因此需要保障橋梁設(shè)計(jì)工作的安全性。大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性等方面都非常復(fù)雜，因此增加了大跨度橋梁設(shè)計(jì)的難度。因?yàn)榇罂缍葮蛄和ǔＬ幱趶?fù)雜的地理環(huán)境，因此地質(zhì)因素和材料因素等都會影響到大跨度橋梁模擬計(jì)算結(jié)果，因此增加了大跨度橋梁施工難度。因此設(shè)計(jì)人員需要采取針對性的措施，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，在整體角度優(yōu)化設(shè)計(jì)大跨度橋梁，有利于降低整體施工的復(fù)雜性，同時(shí)可以降低施工成本。

在整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化階段，可以利用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方案。近些年我國不斷發(fā)展各種設(shè)計(jì)理論，通過利用概率法和半概率法以及全概率設(shè)計(jì)方法，有利于提高大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。描述橋梁結(jié)構(gòu)不確定因素，可以利用定量分析方法確定大跨度橋梁安全性指標(biāo)和競技性指標(biāo)，從而滿足橋梁安全性和競技性需求，從而實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了保障大跨度橋梁的實(shí)用性，還需要結(jié)合實(shí)際情況建立大跨度橋梁結(jié)構(gòu)模型，通過分析建立的模型，可以優(yōu)化整體大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。在實(shí)際施工中需要根據(jù)大跨度施工要求選擇算法，并且保障分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此提高大跨度橋梁設(shè)計(jì)水平。當(dāng)前在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中可以利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法和最優(yōu)準(zhǔn)則法等，通過合理選擇優(yōu)化算法，有利于保障大跨度橋梁效果【6】。

3.2局部優(yōu)化設(shè)計(jì)

近些年在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中不斷投入利用各種新技術(shù)和新材料等，有利于進(jìn)一步完善橋梁體系，同時(shí)可以提高大跨度橋梁的承載力，延長整體使用壽命。在大跨度橋梁局部優(yōu)化過程中，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁受力構(gòu)件和易損構(gòu)件等，優(yōu)化大跨度橋梁的跨越能力，降低整體施工成本。

我國不斷提高鋼材產(chǎn)能，因此降低鋼材價(jià)格，而鋼材具有較輕的重量，同時(shí)具有顯著的抗拉強(qiáng)度，因此可以在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。利用鋼結(jié)構(gòu)梁體或者鋼混疊合梁體代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以降低大跨度橋梁梁體的自重，同時(shí)在降低梁高的過程中還可以增大橋梁跨度。例如在大跨度斜拉橋和懸索橋中可以優(yōu)化設(shè)計(jì)加勁梁結(jié)構(gòu)。

通過深入研究大跨度橋梁跨徑比和垂直比等，并且積極探索大跨度橋梁自振頻率和結(jié)構(gòu)共振理論等，同時(shí)研究利用各種阻尼材料，可以為大跨度橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更多的參考理論，奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)【7】。

3.3上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1預(yù)制拼裝多梁式T梁結(jié)構(gòu)

在大跨度橋梁設(shè)計(jì)過程中廣泛利用預(yù)制拼裝多梁式T梁，對比整體式箱梁，預(yù)制拼裝多梁式T梁結(jié)構(gòu)施工過程更加簡單，同時(shí)具有較低的施工成本。因?yàn)槔镁邆溟_口斷面的下梁，因此這一結(jié)構(gòu)缺乏平衡受力和抗扭能力，而曲線梁中彎曲作用力不利于平衡公路橋梁下部結(jié)構(gòu)受力性。因?yàn)門形梁屬于一種直梁設(shè)計(jì)模式，可以利用翼緣板寬度線性調(diào)整平面，利用利用T梁橋可以控制彎扭作用力。

在設(shè)計(jì)T梁橋的過程中，如果沒有平衡直線部分的靜荷載和動荷載，將會產(chǎn)生位移曲線。因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)大跨度橋梁的過程中可以利用測量連接方式，優(yōu)化大跨度橋梁結(jié)構(gòu)性能，例如可以選用懸臂注入箱式梁【8】。

3.3.2簡支空心板結(jié)構(gòu)橋型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是大跨度橋梁工程的基礎(chǔ)，在選擇上部構(gòu)造形式的過程中，設(shè)計(jì)人員需要綜合大跨度橋梁后續(xù)施工情況和受力特點(diǎn)等，保障上部構(gòu)造形式的科學(xué)性。而簡支空心板結(jié)構(gòu)橋型具有顯著的優(yōu)勢，并且相關(guān)施工技術(shù)不斷完善，操作過程也非常簡單，但是簡支空心板結(jié)構(gòu)橋型也存在不足之處，因?yàn)榱焊咻^高，因此減小了跨徑，因此影響到跨徑和梁高之間的比例合理性，還不利于保障整體結(jié)構(gòu)的美觀性。此外需要利用較多的高墩，因此在橋面很容易產(chǎn)生伸縮裂縫，影響到車輛行駛的舒適度。此外通常是在地形平緩的區(qū)域利用簡支空心板結(jié)構(gòu)橋型，對于地形條件的要求比較嚴(yán)格。

3.4下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

大跨度橋梁下部負(fù)責(zé)支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)，因此突出了下部結(jié)構(gòu)的重要性，同時(shí)需要協(xié)調(diào)下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)，突出大跨度橋梁的整體性。而下部結(jié)構(gòu)的主要形式為橋墩，因此在大跨度橋梁設(shè)計(jì)過程中，要注意優(yōu)化設(shè)計(jì)橋墩。

橋墩主要包括空心薄壁墩和柱式墩以及雙臂壁墩等，在橋梁中廣泛利用柱式墩，這種類型具有較多的優(yōu)勢，例如自重較輕，同時(shí)可以保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于順利開展施工，并且保障外形的美觀性。在連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)過程中，為了控制上下部的溫度內(nèi)力，可以減少負(fù)彎矩，同時(shí)可以減少橋墩彎矩，同時(shí)可以降低下部結(jié)構(gòu)的剛度比。但是不能過度減少橋墩的剛度，否則將會引發(fā)結(jié)構(gòu)變形問題，不利于正常使用結(jié)構(gòu)，甚至?xí)档蜆蛄航Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在高墩選擇階段，不僅需要計(jì)算承載力和極限狀態(tài)，需要分析高墩的穩(wěn)定性，確定橋墩是否會影響到相鄰橋墩的穩(wěn)定性，因此在橋墩設(shè)計(jì)過程中，需要綜合分析整個(gè)橋梁，確保合理的設(shè)計(jì)橋墩。

優(yōu)化設(shè)計(jì)大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要合理選擇結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)需要根據(jù)勘測設(shè)計(jì)規(guī)范明確施工技術(shù)要點(diǎn)。只能對傳統(tǒng)的下部結(jié)構(gòu)施工，連接施工模板和施工平臺為一個(gè)整體，通常是在早期施工中利用這種方式，但是進(jìn)入到后續(xù)施工階段將會提高施工難度。施工 技術(shù)不斷發(fā)展，在大跨度橋梁下部職工開始利用翻模技術(shù)，要求施工人員在在模板支架上設(shè)置施工平臺，并且利用塔吊吊裝下層模板和平臺，隨后將下層模板拆除，并且安裝和測量上層模板平臺。通過充分利用翻模技術(shù)，可以有效分離施工模板和施工平臺，在橋梁每隔5m就要建設(shè)新的施工平臺，不僅可以提高整體施工效率，同時(shí)可以提高實(shí)際施工的靈活性。因?yàn)槭窃谥Ъ茏鴺?biāo)系中建設(shè)墩臺塔吊的工作區(qū)間，并且始終進(jìn)行直線運(yùn)動，因此利用翻模技術(shù)可以簡化整體施工流程，提高整體墩臺施工質(zhì)量，避免發(fā)生扭矩和裂縫。此外在橋梁混凝土墩臺中利用翻模技術(shù)，還可以提高整體結(jié)構(gòu)的美觀性【9】。

4、工程案例

4.1工程概況

本工程為高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工項(xiàng)目。該橋的上部結(jié)構(gòu)利用連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨跨徑為260m，引橋上部結(jié)構(gòu)利用利用50m預(yù)應(yīng)力T梁和30m的預(yù)應(yīng)力簡支箱梁。在主橋設(shè)計(jì)過程中，在墩頂薄壁箱型墩薄壁的對應(yīng)位置設(shè)置2.5m厚度的兩個(gè)橫隔板，根據(jù)箱梁中心線和單箱單式箱形截面設(shè)計(jì)梁高和主梁，并且根據(jù)三向預(yù)應(yīng)力實(shí)施箱梁設(shè)計(jì)。箱梁頂板寬度為10m，底板寬為5m，翼緣板中設(shè)置2.5m的懸臂。

4.2設(shè)計(jì)高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)

4.2.1設(shè)計(jì)和選擇施工材料

設(shè)計(jì)上下部支座的過程中，利用支座可以有效保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。該工程利用VLM15作為預(yù)應(yīng)力錨具，并且配套利用千斤頂。預(yù)應(yīng)力管道lyo9ng預(yù)埋金屬波紋管。橋面防水層和鋪裝層選用無機(jī)材料防水層和瀝青混凝土。引橋選用預(yù)應(yīng)力簡支箱梁和預(yù)應(yīng)力簡支T梁，選擇C50的混凝土。在預(yù)應(yīng)力簡支箱梁和預(yù)應(yīng)力T梁中選擇C40的鋼纖維防水混凝土。

4.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①主梁橫斷面：主梁利用C50的混凝土，選用HRB400鋼筋，鋼筋直徑在12mm以上。設(shè)計(jì)簡支梁間距為3m，翼板和橫隔板的濕接縫設(shè)計(jì)寬度為0.6m。T梁主梁的間距設(shè)計(jì)為2.451m，并且設(shè)計(jì)了兩種預(yù)制寬度，為別是1.8m和1.9m，在翼板和橫隔板之間設(shè)計(jì)0.598m的濕接縫。選用0.2m厚度的T梁肋板。

②主梁橫隔板：簡支箱梁需要在梁端設(shè)置一道橫隔板，長度為50m的簡支T梁需要設(shè)置9道橫隔板。為了提高梁的整體性，在橫隔板連接過程中需要利用現(xiàn)澆濕接縫方式。

③伸縮縫：伸縮縫使用淺埋式伸縮縫，根據(jù)橋梁連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡支梁。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)橋面水的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置橋面泄水管。在外梁翼緣板預(yù)制階段需要參考預(yù)留孔洞。

4.2.3施工要點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過控制張拉力和伸長值，可以有效控制預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉。此外需要結(jié)合梁體混凝土施工要求，施加的預(yù)應(yīng)力要超過梁體混凝土強(qiáng)度的85%。同時(shí)需要維持4d以上的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。最后需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范開展張拉工作，保障張拉效果的對稱性。

在簡支梁張拉過程中，設(shè)計(jì)需要關(guān)注橋梁拱度，在實(shí)際張拉階段嚴(yán)格控制彈性上拱值和計(jì)算值。完成張拉施工之后需要落實(shí)封錨施工，避免在預(yù)制梁上拱產(chǎn)生較大的收縮差。

結(jié)束語：

社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，也逐漸完善我國的交通網(wǎng)絡(luò)，而大跨度橋梁是交通體系的一部分，因此需要注重大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作。在大跨度橋梁設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合實(shí)際工程特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，從而保障大跨度橋梁整體施工效果。

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