大跨度橋梁設計的設計要點與優(yōu)化策略研究

盧毅

（身份證號：36220419820906001X）

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的高度發(fā)展，我國橋梁建設的數(shù)量和規(guī)模也在不斷的增長，這也使得橋梁施工技術(shù)也到了很大的進步，在橋梁設計方面也有了一定的提升，能夠有效的緩解大跨度橋梁設計和運行中的各種問題。但是，隨著我國橋梁建設施工數(shù)量的日益增加，要想促進大跨度橋梁建設的健康發(fā)展，那么就必須要確保橋梁建設工作具有穩(wěn)定性和持久性，這就對橋梁設計工作提出了更高的要求，必須要進一步完善橋梁設計工作，并將內(nèi)部設計結(jié)構(gòu)進行全面的優(yōu)化，從而確保大跨度橋梁安全穩(wěn)定的運行。

1 大跨度橋梁設計的要點

現(xiàn)如今我國橋梁施工的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，能夠滿足各種結(jié)構(gòu)形式的大跨度橋梁施工的技術(shù)要求。目前我國大跨度橋梁類型主要包括斜拉橋、拱橋、懸索橋等，還有一些新型的橋梁結(jié)構(gòu)，比如全索橋、索桁橋等。但是斜拉橋、拱橋和懸索橋相比較于其他的橋梁結(jié)構(gòu)樣式，不論是在技術(shù)熟練度合適在結(jié)構(gòu)安全性等方面都具有較強的優(yōu)勢，這也是我國目前大跨度橋梁發(fā)展的主要趨勢。

1.1 大跨度斜拉橋的設計要點

大跨度斜拉橋和其他橋梁結(jié)構(gòu)相比具有跨度大、穩(wěn)定性高、承載力強等優(yōu)勢，能夠突破傳統(tǒng)梁氏結(jié)構(gòu)橋梁中跨越能力不足等問題。大跨度斜拉橋的構(gòu)成結(jié)構(gòu)主要有主梁、斜拉索和塔柱這三個部分。因此，設計人員在對大跨度斜拉橋進行設計的時候可以根據(jù)這但各部分之間的不同組合關(guān)系來進行自由的組合，然后設計出不同形狀和結(jié)構(gòu)的橋梁[1]。但是，在設計的過程中一定要注意，在對橋梁的索面進行設計時，一定要根據(jù)橋梁所承受的最大力度來將索面設計為雙斜索面或者平行索面。另外，由于斜拉橋的拉索具有“自錨”的特征，所以在峽谷或河流地帶進行施工時，不需要設置固定橋梁的錨碇，大跨徑斜拉強普遍設計使用的跨徑范圍在200～800m的區(qū)間內(nèi)。

1.2 大跨度拱橋設計要點

拱橋是我國目前使用時長最長的橋梁結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的拱橋類型當中主要以石拱橋為主。而在我國現(xiàn)階段的拱橋設計中，往往會加入一些現(xiàn)代化的設計理念和元素，將鋼筋結(jié)構(gòu)的拱橋和混合類型的拱橋進行結(jié)合。我國目前的拱橋結(jié)構(gòu)則主要以鋼管材質(zhì)的混凝土和鋼筋混凝為主要的材料。這種材質(zhì)拱橋在施工的過程中具有施工周期短、操作簡單以及承載能力強等優(yōu)勢，并且其在使用的過程中還有具有較強的經(jīng)濟性和實用性的優(yōu)勢，因此，拱橋結(jié)構(gòu)是我國山區(qū)大跨度橋梁建設的首先。此外，拱橋結(jié)構(gòu)還非常的適用于跨徑較短的橋梁上。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拱橋結(jié)構(gòu)中拱肋則可以分為實體拱肋和桁式拱肋這兩個類型，因此，橋梁設計人員在對拱肋設計的過程中，必須要根據(jù)橋梁的實際跨徑來選擇合理的鋼管形式。單管形式性能較高，并且施工流程簡單，但是抗彎性較差，而多管形式具有較強的抗彎性能，適合在跨度較大的橋梁設計中使用。所以，在拱橋設計當中，一定要采取合理的措施，確保拱橋設計工作的合理性和科學性。

1.3 大跨度懸索橋設計要點

我國具有非常廣闊的山區(qū)，在這些山區(qū)道路建設往往需要借助大跨度橋梁來進行道路的連結(jié)。而懸索橋結(jié)構(gòu)主要適應于我國山區(qū)的大跨度的橋梁設計當中。懸索橋橋梁結(jié)構(gòu)主要為主纜、塔柱、錨碇和勁梁這四個部分組成，非常適應于我國山區(qū)跨徑較大和高度較高的環(huán)境。比如：南京長江大橋、舟山西堠門大橋、潤揚長江公路大橋等，這些大橋采用的都是大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)。在懸索橋的設計當中，通常是在橋梁的兩端設計塔柱來支撐橋身，因此，必須要確保塔柱具有良好的承載力[2]。通常情況下，會使用鋼筋混凝土材料用來固定橋梁兩端的懸索連結(jié)橋梁和塔柱，這樣一來整個懸索橋就被分成了一個中跨和兩個邊跨的結(jié)構(gòu)，而邊跨的具體長度需要根據(jù)錨固定的位置以及工程的成本來確定。而在實際設計的過程中，中跨和邊跨的長度比例，設計人員一般會根據(jù)塔橋的高度來調(diào)整。

2 大跨度橋梁設計的優(yōu)化對策

2.1 橋梁局部優(yōu)化

對于橋梁的局部優(yōu)化具體可以從以下幾個方面著手：①對加勁梁的橫截面進行優(yōu)化，這就需要對疊合梁、鋼梁和混合梁進行全面的強化。但是，在我國目前一些跨度較大的橋梁施工當中，通產(chǎn)會采用鋼梁材料為主跨梁的形式，采用混凝土和鋼梁結(jié)合的比較少。②對斜拉索和主纜動力進行優(yōu)化，在我國大跨度的橋梁建設當中，斜拉橋是最常見和應用最為廣泛的橋梁結(jié)構(gòu)[3]。但是，在橋梁設計的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)線纜支撐力度較低的問題，并且在一些外界因素影響下，也會對拉索造成一定的影響，使得拉索出現(xiàn)震動等現(xiàn)象。比如，在出現(xiàn)自然災害的情況下，主梁和拉索之間就會相互出現(xiàn)震動的現(xiàn)象。③對橋墩和橋梁基礎進行優(yōu)化，橋墩和橋梁基礎是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，加強對著兩個部分的優(yōu)化，能夠進一步強化橋梁自身的穩(wěn)定性。在設計過程中一旦橋墩和橋梁基礎所處的位置不當或者數(shù)量不合理，都會影響到橋梁自身穩(wěn)定性，并且還會對橋梁的整體耐久性和穩(wěn)固性產(chǎn)生很大的影響。因此，橋梁設計人員在對橋墩和橋梁基礎進行設計的過程中，必須要對橋梁的整體進行綜合的分析和考量。

2.2 大跨度橋梁的整體優(yōu)化

通常情況下，大跨度橋梁的內(nèi)部普遍屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，并且橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的復雜性特征，因此設計的工作量非常的大，在設計的過程中還會牽涉多很多的專業(yè)類型，這也會在一定程度上加大設計人員對整個設計工作的優(yōu)化難度。因此，在對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，必須要增強對優(yōu)化工作的重視程度，對整個橋梁的質(zhì)量進行全面的評價，減低橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設計工作中的難度。此外，在對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，重點內(nèi)容還包括對橋梁結(jié)構(gòu)造價、動力性能以及施工技術(shù)等，這有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和對景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相互協(xié)調(diào)。

2.3 基于可靠度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

目前的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論都是建立在容許應力設計法的基礎上的。但是隨著現(xiàn)代設計理論的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的容許應力設計法正在逐漸向著近似概率法、半概率設計法和全概率設計法轉(zhuǎn)變，這也就出現(xiàn)了很多基于可靠性理念的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。實際上，優(yōu)化和可靠度在本質(zhì)上存在一定的聯(lián)系[4]。可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法主要為以下兩種：①以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實效概率為約束條件的優(yōu)化設計方法；②以元件可靠度或各種失效模式為可靠度為約束條件的設計方法。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)中存在的各種不確定因素進行描述，并采取定量分析的方式得出的安全性和經(jīng)濟性等各個方面的指標，從而更好的協(xié)調(diào)橋梁安全和建設經(jīng)濟性之間的矛盾，這也是傳統(tǒng)的定制設計法無法實現(xiàn)的。由此可見，在大跨度橋梁設計優(yōu)化當中應用可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，具有較強的研究價值。但是，在實際的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設計中，要想確保橋梁的實用性，還必須要根據(jù)實際情況選擇合理的優(yōu)化模型。

2.4 對橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對橋梁上部結(jié)構(gòu)形式進行設計和選擇的過程中，必須要根據(jù)橋梁的實際使用狀況和特點，并對整個橋梁的施工工藝、施工技術(shù)、承載能力以及經(jīng)濟性等進行全方位的考察和分析。但是，在對于一些簡支空心板結(jié)構(gòu)的橋梁進行施工的過程中，由于橋梁自身的跨徑較小，操作簡單，經(jīng)常會出現(xiàn)橋梁高跨比例存在不統(tǒng)一的問題。因此，在對一些山區(qū)建設大跨度橋梁時，一定不能夠選擇這種結(jié)構(gòu)的橋形。另外，還有一些預制拼裝的多梁T型橋梁結(jié)構(gòu)，這種橋梁結(jié)構(gòu)具有施工簡化、成本較低等優(yōu)點，其整體的工程造價會地域整體式的橋梁建設成本，因此，這種橋梁結(jié)構(gòu)在目前的大跨度橋梁建設中得到了廣泛的應用。但是，大多數(shù)的曲線梁和T形梁的斷面都屬于靠口類型，并且橋梁自身的平衡度和扭曲程度所承受的壓力和箱梁所承受的壓力存在很大的差距[5]。因此，在曲線橋梁彎度較小的情況下，就必須要采取直梁設計的方式，這樣才能夠確保通過翼緣板自身的寬度。同時還需要對橋梁平面的線性進行科學的調(diào)整，進而確保橋梁自身的彎曲作用能夠被充分的發(fā)揮出來。

2.5 橋梁墩臺塔吊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在橋梁施工中的翻模施工技術(shù)中，首先采取的就是塔吊，塔吊能夠?qū)⒛０暹M行合理的運輸。在實際的施工過程中，施工人員需要將施工平臺和模板進行固定，然后將下層的模板拆卸下來，通過這樣的方式可以確保上層模板的安裝和測量工作的順利進行。另外，在翻模施工技術(shù)當中，可以將橋梁施工模板和平面看作兩個獨立的個體，但是，很多的施工人員在施工的過程中，卻會經(jīng)常將橋梁模板和平面看作一個整體，雖然采取這樣的方式進行施工，在初級階段施工過非常的簡化，但是當施工到了中級階段，就會使得整體的施工難度加大。此外，采取橋梁的墩臺塔吊翻模施工技術(shù)進行施工，還能夠?qū)⑹┕さ哪０搴推脚_進行分離，從而簡化施工，并且還能夠有效的避免墩臺橋梁模板的表面出現(xiàn)扭曲和裂縫等現(xiàn)象，確保橋梁混凝土墩臺的美觀性。

3 結(jié)語

綜上所述，在我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，對我國道路交通運輸?shù)男枨罅恳苍诓粩嗟脑鲩L，這也對我國的道路交通建設事業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。橋梁是我國交通運輸網(wǎng)絡中的重要組成部分，因此，加強對大跨度橋梁的設計對于我國交通事業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。這就要求橋梁設計人員必須要深入的把握橋梁設計的要點，并結(jié)合橋梁建設工程的實際情況，對設計方案進行合理的優(yōu)化，從而提高大跨度橋梁設計的水平，促進我國橋梁建設事業(yè)的健康發(fā)展。