基于臺州市區(qū)橋梁的設(shè)計優(yōu)化研究
——以椒江二橋為例

冉成偉 張志遠(yuǎn)

荊門市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 湖北 荊門 448000

正文：

進(jìn)行橋梁優(yōu)化設(shè)計的時候，前提是要保證安全第一，是否對現(xiàn)實生活有所幫助，是否足夠經(jīng)濟實惠等。這就對設(shè)計者的要求提高了，在理論基礎(chǔ)知識之上，在橋梁建設(shè)工程方面有相關(guān)經(jīng)驗，在經(jīng)驗不成熟的情況下，設(shè)計就會變得不準(zhǔn)確。要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臈l件進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)政府部門的相關(guān)指導(dǎo)方針，不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，設(shè)備，材料等，一切的具體的施工方案按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，合理使用設(shè)計方法，避免橋梁設(shè)計中因主觀因素導(dǎo)致問題的產(chǎn)生。

1 椒江二橋的基本概況以及結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀分析

作為我國目前最大的雙塔雙索斜拉橋代表的椒江二橋位于我國浙江省臺州市的椒江區(qū)，坐落在臺州市東部的臺州灣椒江入海口，北接椒江區(qū)前所街道道感堂村，即臺金高速東延段與75省道交叉處，南接疏港大道，南接線至椒江疏港大道和太和二路交叉處，是椒江區(qū)迄今承建的最大單體工程，是浙江省及臺州市公路“十一五”建設(shè)規(guī)劃中的區(qū)域干線公路225省道改跨越椒江的重要通道。椒江二橋的建設(shè)極大的拉動了浙江省的經(jīng)濟增長速度。對浙江省臺州市的城市建設(shè)具有重要的建設(shè)意義。

在優(yōu)化設(shè)計的時候，會涉及到很多領(lǐng)域，在這個龐大的系統(tǒng)工程中，必須要理論結(jié)合實踐，在橋梁設(shè)計中，防患于未然，防止因經(jīng)驗不足導(dǎo)致設(shè)計時出現(xiàn)差錯。下面對這些問題進(jìn)行羅列，第一，進(jìn)行設(shè)計的時候，在強度和耐久性問題上，注重前者；第二，設(shè)計時只考慮到強度而忽視使用極限問題，因為使用性才是橋梁真正存在的意義；第三，只注重橋梁建設(shè)問題，不重視維護。

在具體施工的過程中，在耐久性問題上，沒有進(jìn)行明文規(guī)定以及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，在涉及的時候也沒有專職人員，設(shè)計總是敷衍了事，這些原因往往會導(dǎo)致橋梁事故的發(fā)生，而且也不滿足橋梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟性也不高。

針對椒江二橋的設(shè)計工作，設(shè)計理論不夠完善，加上體系的不健全，在設(shè)計施工安全方面會暴露出很多問題，亟需解決。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先應(yīng)該制定一套經(jīng)濟適用型的設(shè)計方案，然后對方案及連接方面進(jìn)行設(shè)計，并選出施工規(guī)范允許的安全系數(shù)和指標(biāo)來確保結(jié)構(gòu)的安全性。

2 椒江二橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性

臺州市在橋梁設(shè)計工作中取得了很大進(jìn)展，不過都是有關(guān)材料和統(tǒng)計方面的，基于耐久性問題還是考慮欠妥，在橋梁投入使用時，很多環(huán)境因素會影響到橋梁的壽命，所以，耐久性問題作為橋梁建設(shè)的重點備受關(guān)注。對于在設(shè)計工作中，工作人員只重視算法，對結(jié)構(gòu)改造并沒有深入研究，因為橋梁建設(shè)中的重點耐久性會對橋梁的使用壽命產(chǎn)生很大影響，必須要加強管理，及時做出改善措施，防患于未然。

2.2 橋梁的疲勞損傷

一共從風(fēng)荷載和車輛負(fù)載這兩個方面涉及到對橋梁結(jié)構(gòu)的使用，這兩個方面統(tǒng)稱為動荷載，因為動載荷的存在，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力也會隨之增大，進(jìn)而會由于橋身振動產(chǎn)生應(yīng)力損傷。

很多因素會導(dǎo)致橋梁受到損傷，比如說內(nèi)部材料分布不均，有很多小問題，這些小問題不斷積累，在動載荷的影響下變成大問題，到達(dá)一定程度的時候，橋身結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)裂痕，甚至?xí)l(fā)生斷裂，后果不堪設(shè)想。所以要將這些隱藏的禍患扼殺在搖籃之中，重視橋身結(jié)構(gòu)的保護工作。

2.3 橋梁的超載

在設(shè)計優(yōu)化的工作中，一切都要按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在實際的運作中，橋梁往往會出現(xiàn)超載的問題，這樣一來會增加橋身應(yīng)力，損傷橋體。因為超載所造成的損傷是巨大的，這些損傷是很難修復(fù)的，超載甚至?xí)茐臉蛄旱慕Y(jié)構(gòu)，引起交通事故。所以在設(shè)計工作中要加大載荷研究力度，增加橋梁的安全性和耐久性。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性

近些年，自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其是地震這樣破壞性極大的自然災(zāi)害。所以橋梁的抗震性能也就備受關(guān)注。地震會對橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重影響橋梁壽命，所以在設(shè)計工作中，要同時考慮橋梁的耐久性和抗震性能，保證施工質(zhì)量，重視每一個細(xì)節(jié)：第一，保證內(nèi)部材料的整體性和連續(xù)性，不斷優(yōu)化施工流程；第二，加強橋墩和橋身的鏈接強度；第三，通過增加配筋來保證整體結(jié)構(gòu)的延展性；第四，對于不良土層進(jìn)行強化；第五，運用結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施對橋體的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

增加橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性，不僅可以防止動載荷對橋梁的損傷，也可以減少地震對橋體的沖擊。

3 椒江二橋的概念設(shè)計與相關(guān)的分析理論研究

3.1 椒江二橋優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)的分析理論研究

1.對于椒江二橋這種大跨度斜拉橋的非線性靜力分析理論研究

力學(xué)性能對于橋梁來說極為重要，尤其像椒江二橋這種大跨度的斜拉橋，一定要基于桁架受力來確定受力狀態(tài)。在施工時，采用分段懸臂法。因為施工的分段進(jìn)行，后期的施工一定會對前期的施工結(jié)果造成影響，那么要保證施工的質(zhì)量，就必須要在施工之前做好工程的與估算以及整個橋梁結(jié)構(gòu)中的受力分析，以及外形結(jié)構(gòu)等等[2]。

2.椒江二橋的優(yōu)化方案試設(shè)計與參數(shù)研究

像椒江二橋這樣的“千米級”以上的斜拉橋，主跨必須要采用鋼箱梁形式。說完主跨，下面介紹邊跨，邊跨在設(shè)計的時候采用的是混凝土主梁，像國外比較知名的大橋采用的成橋方式就是這種以主邊跨的成橋方式，例如Normandy，Stonecutters大橋的混合梁體系，這種方式不僅可以改善橋梁的力學(xué)性能，還可以讓其更加經(jīng)濟。在情況不允許的情況下，主跨和邊跨都可以采用鋼箱梁形式。在索力傳遞的時候，為增強橋塔與主梁的抗彎曲性能，可以讓中跨承受更多的來自主梁的受拉力，更大程度上減少橋塔和橋索根部來自于主梁的受力。當(dāng)然了，由于受限于橋梁選址的限制，傳統(tǒng)的自錨體系全鋼箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁的設(shè)計中運用的比較廣泛[4]。

3.將雙索面優(yōu)化為多索面的理論分析

一般情況下，對于四車道的橋面采用的是雙索道，基本上車道的數(shù)量與索道的數(shù)量相關(guān)聯(lián)，對于椒江二橋這種六車道的特大跨度的斜拉橋來說，建議改變雙索道為多索道[1]。雙索道有不足之處，譬如，憑借索道的側(cè)向牽引，主梁對于橋塔的壓力才會減小，而對于椒江二橋這種大跨度的斜拉橋來說，沉重的負(fù)荷只能由橋塔承受，所以，在主梁的設(shè)計中會重點考慮索道。因此，在這種大跨度的斜拉橋中，可以適當(dāng)?shù)卦黾铀髅?，為了減少跨度半徑，可以主梁將原有橫向承載模式變?yōu)?或3跨彈性支撐連續(xù)梁，降低主梁的高度，減少橫向荷載所需的材料，從而有利于主梁向輕巧化發(fā)展。

關(guān)于多索面支撐，最早來源于Roebling設(shè)計的著名的Brooklyn橋的這一懸吊組合體系，與1883年正式完工。在最近幾年國內(nèi)外的公路斜拉橋建設(shè)中，已有很多成功的例子，有三索面、三柱式塔、混凝土單箱雙室的黑石渡橋，位于湖南長沙瀏陽河上；有四索面，M型塔，混凝土分離雙箱梁的西灣大橋，位于澳門特別行政區(qū)；還有四索面、獨柱塔、分體組合梁+橫向聯(lián)結(jié)系的汀九橋，位于香港特別行政區(qū)等等。

3.2 椒江二橋的優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容

在椒江二橋的結(jié)構(gòu)中，有一個比較明顯的特征就是，橋梁跨度中存在一個彈性中間支承，它是由橋塔兩側(cè)的斜拉索引出的，可以預(yù)先給在斜拉索上施加拉力，可以減少主梁的截面彎矩，高度以及自重問題，讓主梁的強度更大，耐久性更長。前文提到的一個問題就是橋梁的動載荷過大，可以降低斜拉索之間的距離以及對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行預(yù)先的張拉力作用，這樣做可以降低橋體負(fù)荷，減小彎矩?；谳S向受力狀態(tài)，橋塔、橋梁以及斜拉索構(gòu)成的主體可以將材料的性能發(fā)揮到極致。隨著截面彎矩的降低，橋身自重會減少，這對于施工來說便捷高效了許多，這恰恰也是現(xiàn)代橋梁的發(fā)展方向，密集型和輕柔型[3]。

基于技術(shù)層面的分析，縱觀斜拉橋的發(fā)展歷史，基本上可以分為四個顯著時期，稀疏型斜拉索時期、密集型斜拉索時期、主梁柔性化時期以及大跨度、跨徑時期。不同時期斜拉橋的改變都源于斜拉橋的三個基本要素橋塔、橋梁和橋索三者之間的組合變化，期間產(chǎn)生了各式各樣的斜拉橋，而椒江二橋就是其中的代表之一。具體情況不做詳細(xì)描述。

總的來說，一共可以從五個角度展開對椒江二橋的設(shè)計優(yōu)化工作：第一，在對于橋型選擇上遵循橋梁美學(xué)的要求，整體尺寸更加合理；第二，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，不僅要考慮到橋塔、橋梁以及橋索這三個橋梁的基本要素的設(shè)計，還要考慮到三者之間的鏈接方式以及拉索錨固方式；第三，在橋體的機構(gòu)受力分析方面，不僅要從耐久性、穩(wěn)定性、靜力三個方面進(jìn)行評估分析，還要從橋梁的動力特性、抗震性以及抗風(fēng)性方面就行評估分析；第四，具體的施工方案設(shè)計，對橋塔、橋梁以及橋索三個要素進(jìn)行方案設(shè)計，還要對基本架構(gòu)進(jìn)行可行性分析；第五，來自于經(jīng)濟方面的分析，只有不斷的提高橋梁建造施工技術(shù)，才能不斷的降低經(jīng)濟成本，引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，構(gòu)建一個完整的，健全的，科學(xué)的橋梁建設(shè)體系、風(fēng)險評估體系以及施工方案，在經(jīng)濟的基礎(chǔ)上優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)，不斷改進(jìn)方案。

4 結(jié)束語

綜上所述，椒江二橋在臺州市交通事業(yè)中發(fā)揮的重要作用，可以說是直接影響著臺州市整體的經(jīng)濟水平，因而對椒江二橋的設(shè)計優(yōu)化工作就顯得非常重要了，對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，借助各種橋梁設(shè)計分析理論，來解決耐久性、疲勞損傷問題、動載荷問題、抗震性以及經(jīng)濟性問題等，以及一些成功的案例為椒江二橋的優(yōu)化設(shè)計提供寶貴的實踐經(jīng)驗。更大程度的優(yōu)化橋梁的各種性能。