大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工控制

【摘要】通常情況下，在公路交通運(yùn)輸?shù)臉屑~地段是大跨度橋梁所處的位置，作為道路生命線工程的主要構(gòu)成。在選擇橋型中存在一定的復(fù)雜性和難度，橋梁設(shè)置以及設(shè)計(jì)方案的合理性對(duì)整條路線的工程造價(jià)及使用性能造成直接影響，所以，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)與橋梁各部分構(gòu)造、地質(zhì)以及地形之間的關(guān)系進(jìn)行合理協(xié)調(diào)。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁；大跨度；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

一、大跨度橋梁設(shè)計(jì)中所涉及的問題

大跨度橋梁在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮的問題相對(duì)較多，例如：跨徑的選擇、結(jié)構(gòu)力學(xué)估算、橋面寬的選擇以及橋型的選擇等。其次，還應(yīng)對(duì)橋梁的抗震及抗風(fēng)效果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.跨徑的選擇

主梁的跨徑是對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移造成影響的關(guān)鍵，跨徑選擇的合理性能夠促使結(jié)構(gòu)有良好的力學(xué)行為及經(jīng)濟(jì)效益存在。對(duì)大跨度橋梁的主跨跨徑進(jìn)行確定時(shí)應(yīng)先對(duì)橋梁位置信息進(jìn)行掌握，特別是橋梁位置周圍所處的地質(zhì)、水文、航運(yùn)以及氣象等問題，對(duì)相關(guān)控制因素進(jìn)行確定，例如：河道深度、寬度、水流速等。對(duì)橋墩位置及橋下凈空進(jìn)行確定，然后對(duì)施工的便捷及可行性進(jìn)行關(guān)注，主要包括施工方法及工期等。

2.橋型的選擇

對(duì)于大跨度橋梁的形式主要包括：懸索橋、拱橋、組合形式橋以及斜拉橋等。結(jié)合橋梁位置的地質(zhì)、水文以及橋梁形狀的自身特點(diǎn)，即可對(duì)合理的橋型進(jìn)行確定。

（1）拱橋

拱橋能夠?qū)蛎娴呢Q向荷載向部分水平推力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促使拱的彎矩得到有效減小，拱主要對(duì)壓力進(jìn)行承受，進(jìn)一步將抗壓性能得到有效的展現(xiàn)。拱橋存在較大的跨越能力，能夠?qū)③毓ぜ捌渌箟翰牧系氖褂眯阅艿玫匠浞职l(fā)揮。簡(jiǎn)單的構(gòu)造，受力極為明確且簡(jiǎn)潔。多樣的形式及美觀的外形。而拱橋也有自身的缺點(diǎn)存在：有水平推力的拱橋會(huì)要求有較高的地基基礎(chǔ)存在，容易受到多孔連續(xù)拱橋之間的相互影響。當(dāng)存在較大跨徑及自重時(shí)，要求有較高的施工工藝。當(dāng)建筑高度相對(duì)較高時(shí)，對(duì)其穩(wěn)定性造成影響。

（2）斜拉橋

梁體的尺寸較小，具有較大的橋梁跨越能力。橋下凈空及橋面標(biāo)高對(duì)其造成的限制較小。與懸索橋相比存在良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。無需進(jìn)行集中錨碇構(gòu)造，對(duì)懸臂施工極為便利。而不足之處則是：該結(jié)構(gòu)屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算，索與梁或塔的連接構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。在施工過程中存在較多的高空作業(yè)，且要求有嚴(yán)格的施工控制等技術(shù)。

（3）懸索橋

懸索橋也就是常說的吊橋，主要是通過索塔在兩岸實(shí)施懸掛并錨固的纜索，對(duì)上部結(jié)構(gòu)發(fā)揮著主要承重作用。力的平衡條件對(duì)纜索的幾何形狀造成決定性影響。通常與拋物線相接近。從纜索處有許多吊桿垂下，對(duì)橋面進(jìn)行吊起，運(yùn)用加勁梁對(duì)橋面和吊桿之間進(jìn)行設(shè)置，與纜索共同構(gòu)成組合體系，促使火災(zāi)所造成的撓度變形得到減小。由于懸索橋能夠?qū)Σ牧系膹?qiáng)度進(jìn)行充分利用，且存在自重輕且用料省的特點(diǎn)，所以，在各種體系橋梁中，懸索橋都存在較大的跨越能力，跨徑一般能超過1000m。在大跨度及特大跨度的公路橋梁中得到適用。

3.橋面寬度的選擇

隨著交通量的逐漸增加，橋面寬度也進(jìn)一步加大。通過車輛荷載的產(chǎn)生，當(dāng)橋面越寬，則會(huì)有越大的偏載可能性出現(xiàn)。另外，自重荷載也會(huì)隨著橋面的加寬而逐漸加大，促使結(jié)構(gòu)材料的使用量得到提升，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

4.結(jié)構(gòu)力學(xué)的估算

在橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)力學(xué)的估算作為解決問題的重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注，按照整體結(jié)構(gòu)體系和分體系之間的力學(xué)關(guān)系，采用近似估算的方式，通常存在概念清晰且定性正確的結(jié)構(gòu)體系，避免在后期設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)不必要的繁瑣運(yùn)算，有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性存在。

二、主梁線形的測(cè)量

1.測(cè)量主梁撓度、主梁頂面高程以及軸線

在每一節(jié)段懸臂端梁頂部都應(yīng)對(duì)2～4個(gè)標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)及一個(gè)軸線點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。測(cè)點(diǎn)通過預(yù)埋短鋼筋或鋼板的方式，采用紅色油漆對(duì)編號(hào)進(jìn)行標(biāo)注。采用水準(zhǔn)儀實(shí)施測(cè)量，按照每一節(jié)段的施工次序，在每一節(jié)段中對(duì)主梁撓度按照三種工況實(shí)施平行獨(dú)立測(cè)量，并進(jìn)行相互校核。運(yùn)用全站儀及鋼尺等對(duì)軸線進(jìn)行測(cè)量，對(duì)前端偏位處應(yīng)運(yùn)用測(cè)下角法或視準(zhǔn)法進(jìn)行測(cè)量。在視準(zhǔn)的過程中，應(yīng)將軸線的后視點(diǎn)向過渡墩處進(jìn)行引入，通過遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)近距離點(diǎn)進(jìn)行控制。在測(cè)量主梁頂面混凝土高程的過程中，同一截面內(nèi)對(duì)2～4點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合橫坡對(duì)其平均值進(jìn)行取出，這樣則能對(duì)主梁頂面的高程值進(jìn)行獲取。同時(shí)，當(dāng)工況不同的條件下，通過觀察獲取的主梁撓度變化值，與給定立模標(biāo)高立模的高程值也可對(duì)主梁頂面的高程值進(jìn)行確定，通過兩者之間的比較，即可對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.測(cè)量主梁立模標(biāo)高

對(duì)立模標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)通過精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，在測(cè)量過程中盡可能與溫差較大的時(shí)段進(jìn)行避開。當(dāng)施工單位立模到位，測(cè)量結(jié)束之后，施工各節(jié)段的立模標(biāo)高應(yīng)通過監(jiān)理單位實(shí)施復(fù)測(cè)，監(jiān)控單位實(shí)施不定期的抽測(cè)。

3.直接對(duì)同跨兩邊對(duì)稱截面的相對(duì)高差進(jìn)行測(cè)量及多跨線形的通測(cè)

當(dāng)兩邊存在相同的施工節(jié)段時(shí)，可直接對(duì)對(duì)稱截面的相對(duì)高差進(jìn)行測(cè)量及分析比較。當(dāng)存在不同的施工節(jié)段時(shí)，對(duì)稱節(jié)段的高差不能對(duì)其可比性進(jìn)行滿足，此時(shí)，可對(duì)較慢一邊的最末端截面及較快一邊已施工的對(duì)應(yīng)截面進(jìn)行選擇，將其作為相對(duì)高差的測(cè)量對(duì)象。在實(shí)際測(cè)量過程中，同一對(duì)稱截面可對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合橫坡所取的平均值，即可對(duì)對(duì)稱截面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相對(duì)高差進(jìn)行獲得。不僅應(yīng)將各跨線形控制在范圍內(nèi)，而且還應(yīng)定期或不定期對(duì)全梁全過程線形進(jìn)行通測(cè)，促使全橋線形的協(xié)調(diào)性得到保障。

三、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在選擇上部構(gòu)造形式時(shí)，應(yīng)和橋梁的具體情況相結(jié)合，對(duì)其施工技術(shù)難度、受力難度及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)選用簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)時(shí)，具有方便施工及成熟的施工技術(shù)等特點(diǎn)，當(dāng)跨徑較小且梁高大。由于橋梁跨度受到制約，通常導(dǎo)致跨深溝橋梁高跨比出現(xiàn)不協(xié)調(diào)性，且有較差的美觀性存在。上部結(jié)構(gòu)與大超高線形及路線小半徑進(jìn)行復(fù)核，增加了高墩數(shù)量；橋面存在較多的伸縮縫及較差的行駛條件。所以，在大跨度橋梁中，通常在該橋型中對(duì)平緩及填土不高的中小橋上得到應(yīng)用。在中等跨徑中，預(yù)制拼裝多梁式T梁的運(yùn)用存在施工方便且造價(jià)較低的特點(diǎn)，其造價(jià)與整體式箱梁相比相對(duì)較低，在中等跨徑自梁橋中得到適用。對(duì)于曲線梁，由于T梁屬于開口斷面，與箱梁相比，其抗扭及梁體平衡受力能力相對(duì)較差，下部結(jié)構(gòu)受到曲梁的彎矩作用所形成的不平衡力較大。當(dāng)曲線橋存在較小的彎曲程度時(shí)，運(yùn)用直梁設(shè)計(jì)對(duì)曲線T梁橋進(jìn)行使用，通過翼緣板的寬度對(duì)平面線形進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步將曲梁的彎扭作用得到減少。在一定程度上能夠?qū)η€T梁橋受力及施工中存在的不足之處得到改善。其次，運(yùn)用對(duì)橫向聯(lián)系加強(qiáng)的方式，進(jìn)一步將結(jié)構(gòu)的整體性得到提升。對(duì)于大跨度橋梁來說，應(yīng)運(yùn)用懸臂澆筑箱梁進(jìn)行使用。但在中等跨徑的橋梁中，無論箱梁運(yùn)用哪種施工方式，都有較高的費(fèi)用存在，對(duì)比預(yù)制拼裝多梁式T梁，都有一定的弱勢(shì)存在。

在對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)對(duì)支撐力的要求得到滿足，并在外形上能夠與上部結(jié)構(gòu)達(dá)到相互協(xié)調(diào)及均勻布置的作用。結(jié)合上部構(gòu)造形式、橋墩高度對(duì)橋墩形式進(jìn)行選擇，例如：空心薄壁墩、柱式墩以及雙薄壁墩等?，F(xiàn)階段在公路橋梁中運(yùn)用最為廣泛的橋墩形式這是柱式墩，具有自重輕、方便施工、穩(wěn)定性好以及外觀輕巧等特點(diǎn)。在連續(xù)鋼構(gòu)橋中，應(yīng)對(duì)上下部結(jié)構(gòu)的鋼度比進(jìn)行把握，促使下部結(jié)構(gòu)的鋼度比得到減小。能夠?qū)摻Y(jié)點(diǎn)的負(fù)彎矩進(jìn)行減小，同時(shí)還應(yīng)對(duì)橋墩的彎矩及溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行減小。但避免橋墩過于柔，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)有較大變形出現(xiàn)，從而對(duì)正常使用造成影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在應(yīng)用高墩時(shí)，不僅應(yīng)驗(yàn)算承載能力及正常使用極限狀態(tài)，而且還應(yīng)對(duì)穩(wěn)定分析進(jìn)行關(guān)注。對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)鋼構(gòu)橋來說，相鄰橋墩對(duì)各墩的穩(wěn)定性造成制約，應(yīng)選擇全橋或其中一個(gè)梁作為分析對(duì)象進(jìn)行研究。穩(wěn)定分析中，對(duì)各種可能的荷載作用及邊界條件約束下形成的臨界荷載進(jìn)行確定。例如：在梁、墩之間運(yùn)用板式橡膠支座進(jìn)行施工，通過支座和梁、墩接觸面上的摩擦力將梁體上的水平力向橋墩進(jìn)行傳力，此時(shí)該水平力主要是指車輛制動(dòng)力及溫度影響力等，不僅會(huì)導(dǎo)致墩頂有水平位移出現(xiàn)，而且板式橡膠支座也會(huì)有剪切變形形成。當(dāng)橋梁體水平力完成之后，梁體暫時(shí)處于固定狀態(tài)，通過軸力和墩身自重的制約，墩頂則繼續(xù)會(huì)有附加變形產(chǎn)生，促使板式支座有傳遞水平力的功能向墩頂變形抵抗功能的轉(zhuǎn)變，應(yīng)先將支座原有的剪切變形進(jìn)行恢復(fù)，使其注漿逐漸達(dá)到反力目的。

四、結(jié)語

作為橋梁工程的重要組成部分，大跨度橋梁應(yīng)進(jìn)行多方面的分析，在確定大跨度方案時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照“舒適、安全、美觀、經(jīng)濟(jì)”的原則，只有對(duì)相關(guān)規(guī)律進(jìn)行把握，掌握側(cè)重點(diǎn)，即可對(duì)橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡建華.大跨度自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系及靜動(dòng)力性能研究[D]. 湖南大學(xué) 2006.

[2] 陳開利，鄭綱.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)傳力機(jī)理[J]. 中國鐵道科學(xué). 2005（04）.