大跨度橋梁設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化措施

梁吉學(xué)　李聞濤

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，交通事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，近年來(lái)，大跨度橋梁項(xiàng)目不斷增多，其結(jié)構(gòu)形式也趨于多樣化、復(fù)雜化，而且大跨度橋梁的安全運(yùn)營(yíng)也關(guān)系到整個(gè)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。但是我國(guó)現(xiàn)有的大跨度橋梁設(shè)計(jì)還存在很多不足與缺陷需要不斷優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：大跨度橋梁；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；優(yōu)化措施

目前的橋梁技術(shù)雖然已經(jīng)能夠很好的解決大跨度橋梁現(xiàn)存的問(wèn)題，但是隨著橋梁跨度的不斷增加，向著更長(zhǎng)、更大、更柔方向發(fā)展，為了保證其建設(shè)的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡(jiǎn)易型以及美觀性，橋梁設(shè)計(jì)以及施工人員還有更多的工作要做。而大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，也是為了更好的處理和解決橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性以及經(jīng)濟(jì)合理性、美觀性的過(guò)程。

1 大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.1 大跨徑斜拉橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)。大跨徑斜拉橋是一種拉索結(jié)構(gòu)的橋梁，其既具有跨度大、承受力強(qiáng)以及穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，又具有較高的經(jīng)濟(jì)比值特點(diǎn)，它相比于傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)橋梁具有更大的跨越能力。斜拉索橋梁有斜拉索、塔柱和主梁三個(gè)部分組成，在大跨徑斜拉橋概念設(shè)計(jì)階段，我們可以根據(jù)三者不同關(guān)系，組合成為多種形狀的結(jié)構(gòu)橋梁，例如懸浮、固定、支承等。在設(shè)計(jì)索面時(shí)，根據(jù)橋梁最大承受力克設(shè)計(jì)為單索面和雙索面（雙平行索面或雙斜索面）兩種斜索平面類型，斜拉橋的拉索不需要固定的錨碇，其本身就帶有自錨特征，通常在山區(qū)河流或者峽谷跨徑在200m以上，800m以下范圍時(shí)，就可以選用斜拉橋結(jié)構(gòu)。

1.2 大跨度懸索橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。懸索橋是我國(guó)山區(qū)大跨度橋梁的主要類型，它由主纜、加勁梁、塔柱和錨碇幾個(gè)部分組成，在山區(qū)跨徑較大、高度較高的條件下，比較適合采用懸索橋的形式。現(xiàn)代懸索橋一般設(shè)計(jì)兩個(gè)塔柱作為橋身的基本支承，塔架采用鋼筋混凝土材料，其懸索的兩端通過(guò)錨碇固定在兩端，兩個(gè)塔架將懸索橋整體分為三個(gè)部分，及中跨部分和兩個(gè)邊跨部分，邊跨的長(zhǎng)度需根據(jù)錨固位置和工程成本來(lái)定，一般來(lái)說(shuō)，中跨與邊跨多采用2：1或者4：1的長(zhǎng)度之比來(lái)設(shè)計(jì)，而其垂跨比一般設(shè)計(jì)為1：6或者1：7（根據(jù)橋塔高度可以適當(dāng)調(diào)整）。

1.3 拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。拱橋無(wú)疑是我國(guó)使用歷史最長(zhǎng)的橋梁類型，傳統(tǒng)拱橋以石拱橋?yàn)橹?，而近現(xiàn)代又加入了鋼筋結(jié)構(gòu)拱橋和混合類型的拱橋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代拱橋結(jié)構(gòu)多以鋼筋混凝土、鋼管混凝土拱橋?yàn)橹?，其施工?jiǎn)單、建造便捷、經(jīng)濟(jì)、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使得拱橋結(jié)構(gòu)成為我國(guó)山區(qū)大跨度橋梁建設(shè)的重要橋梁類型。拱橋結(jié)構(gòu)比較適合跨徑相對(duì)較短的峽谷V字地形，鋼管混凝土拱橋的拱肋可分為實(shí)體拱肋（包括單管和啞鈴形截面）和桁式拱肋（根據(jù)鋼管數(shù)可分為三管、四管和六管桁式）。在采用實(shí)體拱肋時(shí)需根據(jù)跨徑來(lái)選擇單管或者多管形式，單管的抗扭性能較高，施工簡(jiǎn)單，但是抗彎性較低，其一般用于跨徑<80m的拱橋之中。而多管桁式拱肋則采用直徑較小的鋼管以增加其抗彎性能，其一般用于跨徑>100m的鋼管混凝土拱橋之中。

2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 局部?jī)?yōu)化。加勁梁橫截面的優(yōu)化。大跨度橋梁的加勁梁主要是由鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。就目前建成的大跨度橋梁中，主跨梁的主要形式多數(shù)以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結(jié)合梁以及混凝土梁較少且相對(duì)較小。

斜拉索或主纜的動(dòng)力優(yōu)化。由于斜拉橋和懸索橋是當(dāng)前大跨度橋梁建設(shè)的主要橋式，兩者具有共同的特點(diǎn)，即都是由纜索支承，且橋面柔軟，屬于柔性結(jié)構(gòu)，其阻尼值較低。在外部激勵(lì)下，拉索極易出現(xiàn)大幅度的振動(dòng)，如風(fēng)雨交加時(shí)的出現(xiàn)的主梁和拉索之間的耦合振動(dòng)引起的參數(shù)共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振動(dòng)極易引起拉索錨固端的疲勞、降低了拉索的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯佑绊憳蛄航Y(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

橋墩及基礎(chǔ)的優(yōu)化。橋墩以及基礎(chǔ)是橋梁重要支撐結(jié)構(gòu)，也是橋梁下部結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對(duì)橋梁的穩(wěn)固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎(chǔ)不論在數(shù)量、位置、還是結(jié)構(gòu)形式上，都對(duì)橋梁的穩(wěn)固、耐久有直接的影響，但對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響較小。因此，在對(duì)橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體的橋梁進(jìn)行考慮。

2.2 整體優(yōu)化。大跨度橋梁都為高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)變量多，建設(shè)和設(shè)計(jì)又涉及到多方面的因素。因此，要對(duì)其進(jìn)行全面整體的優(yōu)化或全過(guò)程的優(yōu)化依然存在困難。這種困難不僅在于其目標(biāo)函數(shù)的建立，也在于對(duì)已建立的目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)解的計(jì)算速度和可能性。為此，對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究多以局部?jī)?yōu)化為主。但是綜合評(píng)價(jià)一座橋梁的優(yōu)劣不是僅僅憑借局部的進(jìn)行評(píng)判，而是要看整體的效果和運(yùn)營(yíng)，因此對(duì)橋梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)存在著一定的難度。目前對(duì)大跨度橋梁的整體優(yōu)化主要有以下幾個(gè)方面：整體造價(jià)最優(yōu)，整體動(dòng)力性能優(yōu)化，整體施工工藝優(yōu)化，橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。

2.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。上部構(gòu)造形式的選擇，應(yīng)結(jié)合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點(diǎn)、施工技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性。簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)的橋型，施工方便，施工技術(shù)成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協(xié)調(diào)，美觀性差；上部構(gòu)造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數(shù)量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區(qū)大跨度中，該類橋型一般用于地形相對(duì)平緩、填土不高的中、小橋上。預(yù)制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價(jià)省、施工方便的特點(diǎn)，其造價(jià)低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。但對(duì)于曲線梁來(lái)說(shuō)，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對(duì)下部產(chǎn)生的不平衡力大。但當(dāng)曲線橋的彎曲程度較小時(shí)，曲線T梁橋采用直梁設(shè)計(jì)，以翼緣板寬度調(diào)整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補(bǔ)曲線T梁橋受力和施工上的不足。雖然直線設(shè)臵的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。

2.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。下部結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)支撐力的要求，同時(shí)在外形上要做到與上部結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)、布臵均勻。橋墩視上部構(gòu)造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋，要注意把握上下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度，可減小剛結(jié)點(diǎn)處的負(fù)彎矩，同時(shí)減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力。但是橋墩也不可以太柔，否則會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大變形，影響正常使用，并不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)橋，各墩的穩(wěn)定性受相鄰橋墩的制約影響，應(yīng)取全橋或至少一梁作為分析對(duì)象。穩(wěn)定分析的中心問(wèn)題就是確定構(gòu)件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁的發(fā)展也十分迅速。如何在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為目前大跨度橋梁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。本文對(duì)大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了概況，并提出了具體的優(yōu)化措施，希望可以給同行提供參考。

參考文獻(xiàn)

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