關于大跨度橋梁設計中的要點及優化對策

何 沖，王定強

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司武漢分公司，湖北武漢 430000）

0 引言

橋梁體積與正常橋梁相比較大，施工組織設計上相對于正常橋梁來說也較為復雜，可能會導致橋梁存在較多的安全隱患，因此，要保證大跨度橋梁設計更加嚴密和精準，減少后續施工過程中的設計變更次數。大跨度橋梁設計過程中，不僅需要對橋梁過渡節點等進行設計，還需要按照橋梁實際長度和寬度進行綜合考慮，選擇合適的結構，才能夠使橋梁具有較強的承載力。大跨度橋梁設計過程中，設計人員應能夠掌握設計要點，及時對大跨度橋梁設計中存在的問題進行分析，并做好優化對策，使大跨度橋梁可以達到現代橋梁建設標準。

1 大跨度橋梁設計要點

1.1 大跨度斜拉橋設計要點

拉索性橋梁在我國橋梁建設中應用較為廣泛，拉索橋是大跨度橋梁建設中常見類型，具有結構穩定、承載能力強等優點，適合用于跨海大橋和城市立交大橋，大跨度斜拉橋就屬于拉索性橋梁的一種，斜拉橋主要結構為主梁、塔柱、斜拉索等部分組成。斜拉橋在建設過程中需要根據建設需要組裝各個機構。從而達到改變大跨度橋梁外觀和內部結構的目的。斜拉橋建設過程中可以提高橋梁索面設計的重視度，根據橋梁所承載的最大重量限度設計合適的橋梁結構，為車輛通行提供保障[1]。如果大跨度橋梁所處位置較為特殊，應通過計算選擇懸浮類橋梁。設計人員無論選擇什么樣的橋梁結構，都要保證橋梁自身的承載能力，需要按照橋梁投入使用后最大車流量進行計算設計，否則會導致橋梁承載能力較低，導致安全隱患的出現。大跨度斜拉橋梁具有自錨的特點，復雜環境下不使用錨定就能夠使橋梁整體穩定性獲得提升。斜拉橋在設計上存較強的復雜性，存在較多可能隨時發生變化的因素。橋型選擇和設計都存在一定的難度，如果橋梁建設位置處于跨度較大的河流峽谷，斜拉橋是大跨度橋梁建設的最佳選擇。其主要原因是斜拉橋與其他橋梁相比具有較強的跨越能力，橋梁拉索彎矩分配更加均勻，使用過程中不會出現較大彎矩。橋梁整體結構較為小巧，可以保證橋下具有足夠的空間。斜拉橋造型美觀，能夠滿足不同橋梁的建設需求，具有較強的可塑性。設計人員在進行斜拉橋設計時，還需要考慮斜拉橋存在的不足，斜拉橋計算較為復雜，且計算過程中存在較多的變量，需要在保證經濟合理的基礎上計算出最終的橋梁形狀，斜拉橋施工較為復雜，對于技術要求較高，必須嚴格設計施工方案，才能夠保證橋梁竣工后達到建設使用要求[2]。拉索性橋梁如圖1 所示。

圖1 拉索性橋梁

1.2 大跨度懸索橋設計要點

懸索橋以拉力為主要受力，懸索橋為柔性結構。懸索橋完成施工前可確定主塔設計高度和高程，其他參數還處于不清晰或者是的未知的狀態。施工過程中，所使用纜線、吊桿所受拉力都屬于一次性拉力，設計人員無法在設計階段預知。纜線受到線形環境影響，如果外部溫度出現變化，會對出現線形與預期線形不符的情況出現，設計人員在進行懸索橋設計時，應能夠選擇合適的施工方案，對纜線張拉力進行嚴格控制，保證橋梁結構的穩定性。懸索橋施工前對于張拉力參數無法確定，設計人員需要通過模擬進行設計。懸索橋計張拉性能計算方法主要有兩種，即解析法、數值仿真法。解析法與數值仿真法相比，解析法所用到代碼較少，計算時間也較短，經常被用于懸索橋主纜的計算分析當中。雖然解析法與數值仿真法相比較為便利，但是解析法在計算過程中也存在一定的缺陷，解析法無法對懸索橋主塔內力和加緊梁內力進行計算，需要采取其他方式計算上述兩個數值，但是會導致計算結果出現偏差。解析法計算懸索橋梁可將橋梁簡化為線型主體，數值仿真也可以達到還原橋梁本身非線性的目的，與解析法相比，數值仿真更加接近于實際橋梁。數值仿真法實現了對橋梁三維立體化的還原，但是設計人員在應用其進行計算的過程中，需要考慮橋梁各個構件之間相互作用、相互影響。橋面模擬是橋梁模擬中的重要部分，能夠實現對橋面的所方面模擬，為設計人員提供相關數據依據。數值仿真法也存在一定缺陷，數值仿真無法實現對橋梁結構的精準模擬，對于橋梁局部處理不夠精確，需要反復進行計算。整個過程中重復性高，且需要較長的時間[3]。

1.3 大跨度拱橋設計要點

大多數橋梁都以拱橋為主，以石頭為主要材料。隨著建技術水平的不斷提升，拱橋設計除了保證其功能性，美觀性獲得了較大提升，并在設計中逐漸融入現代化元素，使其形成了較高的觀賞價值。拱橋適合用于跨徑較小的橋梁當中，設計人員在設計過程中可對拱橋的拱肋進行調整，通過調整拱肋大小達到滿足橋梁跨度的目的。大跨度拱橋主要以鋼筋和混凝土為材料，拱橋能夠與其他橋梁進行結合，使拱橋設計在大跨度橋梁中應用可行，還能夠提高大跨度橋梁安全性能和經濟效益。從結構上對拱橋進行分析，發現拱橋更容易受到跨境的限制，因此，設計人員在進行拱橋設計的過程中，應根據實際跨徑進行設計，單管形式具有良好的性能，后續施工中能夠達到簡化施工流程的目的，但是抗彎性有限，多管式具有良好的抗彎性，主要是根據橋梁使用需求進行選擇[4]。大跨度拱橋如圖2 所示。

圖2 大跨度拱橋

2 大跨度橋梁設計優化對策

2.1 局部優化設計方法

大跨度橋梁需要較高的彎矩力，設計人員在進行優化設計中，應做好橋梁橫截面設計，達到提高橋梁彎矩力的目的。無論大跨度橋梁還是混合梁還是鋼梁都需要進行全面性強化。橋梁材料選擇上多會選擇鋼材，對于混凝土和鋼筋使用較少，設計人員在設計中可將混凝土和鋼筋材料作為主要橋梁材料，達到提高橋梁彎矩力的目的。大跨度橋梁建設主要以斜拉橋、懸索橋等形式為主，這兩種橋梁形式都需要橋梁拉索進行支撐，但是容易受到自然因素和施工因素的影響，導致拉索強度降低，承載能力下降，設計人員在優化設計的過程中，應充分考慮影響拉索強度的自然因素和施工因素，并制定合適的措施進行解決，使橋梁承載能力獲得提升。設計人員在開展設計工作的過程中，應對做好橋梁橋墩的優化設計，首先對橋梁整體建設需求進行了解，保證橋梁荷載能力的基礎上，合理進行橋梁選型，選擇合適的橋墩尺寸，從而使橋梁具備較高的穩定性和安全性[5]。設計過程中存在橋梁、橋墩數量等設置不合理，會導致橋梁穩定性受到影響，容易出現安全事故。懸索橋可分為自錨式、地錨式等兩種類型，一般以地描式為主，如果無法使用地錨式會選擇自瞄式，地錨式優化設計過程中需要設計人員考慮好地質地貌等因素，如果大跨度橋梁跨度較大，無論橋梁結構形式是什么，橋梁都會受到地質條件的限制和影響，設計人員在設計時需要從橋梁整體建設實際情況進行考慮。

2.2 上下部結構優化設計方法

大跨度橋梁上部結構設計的過程中，設計人員需要根據橋梁建設要求和標準進行，同時考慮施工可行性、科學性等因素。設計前期應在保證橋梁結構穩定性的情況下，對橋梁上部結構進行改善和優化達到提高橋梁性能的目的。例如，橋梁空心板結構技術在橋梁上部結構施工中應用，能夠簡化施工程度，還能夠使橋梁更加具有穩定性。該技術雖然能夠保證橋梁的穩定性，但是容易出現橋梁結構不協調，設計過程中應選擇合適方式將橋梁結構進行連接，減少橋梁施工過程中存在的安全隱患。設計人員在設計過程中可以選擇伸縮縫的形式，但是應控制伸縮縫大小，會嚴重影響車輛的行駛體驗感。橋梁建設施工過程中對懸索橋中的錨旋進行優化，有利于提高橋梁的整體性能，從而達到消除橋梁安全隱患的目的，減少橋梁質量問題。優化斜拉橋上部結構的過程中，應要避免其出現位移或者是受力不均勻的情況，加大對橋梁非線性條件的考察力度。橋梁上部結構設計需要從實際的角度進行考慮，分析橋梁整體受力情況、技術困難以及資金投入。預制式拼裝式多梁T 梁具有施工方便、工程造價低都能夠特點，中等跨徑是橋梁構造中最為常見的橋梁類型[6]。但是曲線梁當中，T 梁開口斷面，梁平衡性能力與箱梁相比差距較大，容易導致上部結構與下部結構不平衡的情況發生。曲線橋彎度如果較小，T 梁即可使用直梁進行設計，設計人員后續還需要利用翼緣板對其進行調整，這樣有利于減少彎扭效應，彌補T 梁受力后所產生的缺陷，提高上部橋梁結構的穩定性。

大跨度橋梁下部結構應能夠達到支撐上部結構的目的，保證上部結構與下部結構外形上協調統一。柱式墩在橋梁結構具有較好的穩定性，施工過程中也較為容易操作，也可以保證橋梁美觀性。如果橋梁為連續性鋼構橋，需要設計人員把握橋梁上下部結構的剛度，減少上下部橋梁結構剛度，降低橋墩彎矩力，避免溫度的變化產生內力對其產生影響。橋墩應避免使用較為柔性材料，否則會導致橋梁在使用過程中出現變形的情況，降低橋梁整體穩定性。連續梁結構和連續剛結構，橋墩之間穩定性互相影響，設計人員進行設計的過程中，應將整個橋梁的橋墩進行分析，使橋墩承載能力更加符合橋梁建設要求。下部橋梁結構設計過程中需要解決下部橋梁結構可能出現的承載力不足的問題，達到優化下部橋梁結構的目標。

2.3 墩臺塔吊結構優化設計方法

大跨度橋梁施工過程中，可以使用吊塔進行翻模施工，固定好施工平臺和模板，使后續工作能夠順利進行，需要施工人員拆卸下層模板，整個過程較為煩瑣。為了使施工較為便捷，設計人員要將施工模板和施工平臺分成兩個個體，拆卸完下層模板再安裝施工平臺，這樣可以避免施工步驟較為復雜，提高施工效率。選擇墩臺塔吊翻模施工技術能夠使整個施工更加簡單，不僅可以保證橋梁整體外觀的美觀性，還能夠避免橋梁出現常見病害問題[7]。

2.4 整體優化設計方法

大跨度橋梁整天結構較為復雜，設計過程中存在較多的變量，所涉及的方面也較多，導致設計人員在對橋梁整體設計優化過程中還存在一定難度。設計人員在設計過程中可能會用到函數進行計算，但是在確定目標函數時較為困難，且在目標函數確定后計算也較為困難，設計人員不但要保證計算的精準性，還要能夠提高計算速度，規定時間內完成大跨度橋梁設計。大跨度橋梁設計評價需要從整體方向進行考慮，不僅需要考慮橋梁施工等內容，還要觀察后續橋梁投入運營和使用的情況，設計人員在對橋梁整體優化過程中還存在一定難度。設計人員在進行橋梁整體設計優化的過程中，從橋梁工程造價、動力性能、施工工藝以及橋梁結構等幾個方面入手進行優化。

3 結語

綜上所述，大跨度橋梁自身結構較為復雜，部分大跨度橋梁施工環境還較為惡劣，橋梁施工過程中為了避免出現各類問題，應做好大跨度橋梁設計，根據橋梁建區域實際情況，合理選擇橋梁形式，使橋梁設計更加符合橋梁建設的需要。