基于市政橋梁優(yōu)化設(shè)計的研究

施海峰

摘 要：隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，市政橋梁工程的建設(shè)也在飛速發(fā)展。市政橋梁不同于其他類型的橋梁，它的存在不僅要具有實用性，還應(yīng)該能夠與周圍景觀起到一定的協(xié)調(diào)作用。文章主要對市政橋梁優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：市政橋梁；優(yōu)化；設(shè)計

中圖分類號：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0130-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)也有了質(zhì)的飛躍。伴隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，相對的配套交通壓力也在與日俱增，城市橋梁數(shù)量的也日益增多。物質(zhì)文明和精神文明的提高促使人們不再簡單的追求橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及滿足基本的交通要求，更希望橋梁能夠凸顯一座城市的文化，成為景觀節(jié)點，這就需要橋梁設(shè)計有新的突破，將橋梁設(shè)計與周邊環(huán)境相融合。

1 市政橋梁設(shè)計存在的問題

現(xiàn)階段，很多設(shè)計人員在針對橋梁設(shè)計時仍存在許多薄弱點及誤區(qū)：對橋梁結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結(jié)構(gòu)的整體性延性不足，計算圖式和受力形式不明確等問題。這會引起諸多問題，例如：結(jié)構(gòu)局部受力過大，應(yīng)力集中；混凝土強度要求過低；保護(hù)層厚度不足；構(gòu)件截面過小或過大等。此類問題都將會削弱橋梁結(jié)構(gòu)的承載力以及耐久性，會嚴(yán)重影響橋梁的安全使用。

此外，一些橋梁設(shè)計人員缺少動態(tài)思維方式。在針對不同的環(huán)境、不同的使用條件和不同的設(shè)計對象時，不能及時根據(jù)變化因素對結(jié)構(gòu)體系做出合理的應(yīng)對措施。在新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展的情況下，對橋梁設(shè)計也提出了新要求，設(shè)計人員的創(chuàng)新意識和與時俱進(jìn)的設(shè)計理念顯得尤為重要。在結(jié)構(gòu)體系上，目前的橋梁設(shè)計普遍的缺乏整體的設(shè)計規(guī)劃，過于偏重設(shè)計建成時期結(jié)構(gòu)的工作和服務(wù)能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。橋梁工程是一個由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)工程，設(shè)計人員要用動態(tài)思維去解決面臨的發(fā)展技術(shù)問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內(nèi)，保證橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)體系的完整性。

2 市政橋梁優(yōu)化設(shè)計原則與理念

2.1 設(shè)計原則

橋梁設(shè)計基本原則是滿足橋梁自身的安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性的合理的對立與統(tǒng)一，通過最具經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)手段完成規(guī)范所規(guī)定的設(shè)計內(nèi)容。市政橋梁的設(shè)計要結(jié)合實際，全方位思考以達(dá)到橋梁整體的優(yōu)化效果的目的。在設(shè)計過程中，主要可以從以下四個方面深入研究強化設(shè)計成果：

（1）在設(shè)計開始之前，盡可能的充分了解工程地點的環(huán)境條件，包括地質(zhì)情況、水文條件、周邊構(gòu)筑物情況以及水利需求等。設(shè)計時不僅要結(jié)合周邊的地理環(huán)境實際情況分析還要堅持可持續(xù)發(fā)展方針，在“宜橋則橋，宜擋則擋”的前提下，完善考慮業(yè)主及規(guī)劃提出的橋位所在的洪水位標(biāo)高及其他條件導(dǎo)致的橋下凈空需求，例如下穿步道需求或通航要求，促使橋梁立面通透性增加。在城市規(guī)劃及技術(shù)條件允許的前提下，將工程成本合理的降到最低。（2）結(jié)合工程位置的地貌特點及城市的特色景觀和人文，滿足基本交通需求的情況下提高橋梁自身的觀賞性。此外，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下優(yōu)先采用新技術(shù)、新工藝，尋求橋梁設(shè)計的突破。通過新科技合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使橋梁的美觀性與協(xié)調(diào)性適度提高。（3）經(jīng)濟(jì)效益通常是建設(shè)單位對橋梁設(shè)計關(guān)注的重點，因此，工程建設(shè)整體的投資與效益收益比也是在優(yōu)化結(jié)構(gòu)時需要注意的。根據(jù)國外學(xué)者M(jìn)orse提出的橋梁設(shè)計可靠性與優(yōu)化之間的關(guān)系理論，橋梁設(shè)計越可靠、水準(zhǔn)越高，在初期的建設(shè)成本越高，但橋梁結(jié)構(gòu)的期望損失值和后期維護(hù)成本越低。故在設(shè)計時，工程全期的成本總和考慮優(yōu)先級應(yīng)該高于前期一次性投資成本。（4）在設(shè)計過程中，需要對收集的資料信息進(jìn)行合理的篩選，避免因忽略限制條件導(dǎo)致橋梁成型困難的問題，例如在住宅小區(qū)周邊的市政橋梁設(shè)計時除了需要做到以人為本，橋、景相融之外，也需要考慮配套的過橋管線、小區(qū)地下室紅線和周邊綠道貫通等多方面的問題，避免因此重復(fù)變更設(shè)計。橋梁的設(shè)計應(yīng)以高標(biāo)準(zhǔn)、高要求進(jìn)行。

2.2 設(shè)計理念

經(jīng)濟(jì)、實用、安全以及美觀是橋梁設(shè)計的目標(biāo)。設(shè)計人員須充分學(xué)習(xí)和借鑒優(yōu)秀橋梁設(shè)計，結(jié)合實際選取適合工程的橋型結(jié)構(gòu)。設(shè)計中，橋梁的跨度和橋下凈空應(yīng)該滿足橋下通航或沿河漫步系統(tǒng)或防洪排澇需求，同時也應(yīng)考慮到成橋后檢修的可能性。在橋梁設(shè)計方案階段，還需結(jié)合城市遠(yuǎn)、近期交通發(fā)展的情況，預(yù)留結(jié)構(gòu)空間滿足長期交通功能以及安全通行的需求。除此之外，在保證橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度、耐久性和穩(wěn)定性的前提下，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化增加橋型的創(chuàng)新性和美學(xué)功能，融橋入景，人景相合，凸顯地方特色。最后，橋梁的設(shè)計與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化必須是可行的，在設(shè)計時就應(yīng)考慮施工階段的工藝實施問題，避免因部分構(gòu)件的施工措施代價過高或者工藝過度復(fù)雜而影響工程總體進(jìn)度。

3 市政橋梁總體設(shè)計的優(yōu)化

市政橋梁設(shè)計的主要內(nèi)容包含了上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)（墩、臺及支座）以及伸縮縫、鋪裝和欄桿等一系列附屬工程。從橋梁總體設(shè)計角度分析，橋梁又有橋位、橋跨及橋長、橋梁橫斷面及構(gòu)件尺寸等多個方面，針對這些設(shè)計的優(yōu)化如下：

3.1 橋梁橋位的選取

橋位選取時要保證橋梁對道路線形的滿足，橋位周邊構(gòu)筑物影響小且便于施工。橋梁設(shè)計規(guī)模和位置須與道路功能和需求相匹配。

3.2 橋跨及橋長的確定

橋長以及跨徑會直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的尺寸選定以及穩(wěn)定性，所以橋長與跨徑是橋梁設(shè)計的重點。市政道路上周邊構(gòu)筑物往往相對交通橋梁復(fù)雜，因此，橋位所在環(huán)境周邊構(gòu)筑物邊界可作為參考控制點，結(jié)合地形合理布置橋梁。在可行的前提下，優(yōu)先考慮橋梁與線路形成正交，這樣可以優(yōu)化橋梁的結(jié)構(gòu)受力，提高車輛上橋的舒適性以及適當(dāng)減少工程總投資。

選擇合適的跨徑需要綜合考慮橋下凈空的需求、地理環(huán)境條件和工程的總投資等多方面。橋梁孔徑布置時需要考慮施工難度，同時滿足經(jīng)濟(jì)性、美觀性和安全性。市政橋梁設(shè)計一定要采用合理的布跨，保證橋梁的穩(wěn)定性、橋下凈空的需求。合理的橋跨也會增加橋梁的觀賞性與結(jié)構(gòu)的合理性，避免因為橋梁的跨徑不合理出現(xiàn)橋梁自身結(jié)構(gòu)的缺陷，例如高低蓋梁橋型下墩、臺自身結(jié)構(gòu)抗傾覆能力不足。

3.3 橋梁橫斷面的設(shè)計

橋梁橫斷面的設(shè)計也是市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點之一。市政橋梁不同于公路橋梁，往往存在著橋?qū)挷灰?、斷面長度過長等問題，甚至出現(xiàn)全橋斷面長度超過橋長的情況。因此，橋梁橫斷面設(shè)計除了滿足道路交通需求的前提下，合理變通，考慮遠(yuǎn)期發(fā)展可能的橋梁拼寬，預(yù)留足夠的斷面施工空間。同時，應(yīng)在橫斷面設(shè)計時，堅持可持續(xù)發(fā)展并結(jié)合景觀綠化進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.4 構(gòu)件尺寸的擬定

橋梁各個構(gòu)件尺寸的擬定是相對復(fù)雜的一步，也是結(jié)構(gòu)合理性的關(guān)鍵。通常情況下，結(jié)構(gòu)尺寸的初步擬定是以長期工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)的，在初擬尺寸情況下進(jìn)行各種計算驗證與修正，包含強度、剛度、應(yīng)力、變形等。通過循環(huán)的驗證與修正選取合適的尺寸滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。在景觀要求較高的情況下，異形結(jié)構(gòu)的驗證修正往往耗費較多的人力成本，設(shè)計人員的初擬尺寸顯得尤為重要，充分學(xué)習(xí)和借鑒優(yōu)秀的橋梁設(shè)計可以提高工作效率。

4 橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

針對橋梁的設(shè)計的優(yōu)化可分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及附屬結(jié)構(gòu)，本文著重討論一下橋梁上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向與建議。針對市政橋梁設(shè)計，影響設(shè)計者設(shè)計進(jìn)度的問題主要集中在橫截面尺寸的擬定、懸臂設(shè)計及橫隔梁的設(shè)計等方面。

橋梁的上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括梁截面的尺寸設(shè)計、梁間距等，當(dāng)然對于部分橋型，還需要考慮橫隔梁和變截面的設(shè)計。以下進(jìn)行具體討論：

4.1 主梁的橫截面

主梁的截面結(jié)構(gòu)形式通常采用板式、肋式和箱式三種，結(jié)構(gòu)形式的選擇主要依據(jù)橋梁承載力的需求以及水平應(yīng)力的大小決定。板式結(jié)構(gòu)通常用在中小跨徑橋梁中，肋式與箱式結(jié)構(gòu)對中大型跨徑的橋梁的應(yīng)用更科學(xué)。板式截面主要有實心板與空心板之分，實心板的結(jié)構(gòu)高度較低、施工便捷，但受氣候因素的影響較大且施工成本較高，所以實際運用較少；反觀空心板結(jié)構(gòu)受環(huán)境影響較小，且預(yù)制結(jié)構(gòu)較多，施工速度較快，應(yīng)用在實際工程中更為廣泛。肋式結(jié)構(gòu)主要分為I型、T型和II型。T梁結(jié)構(gòu)對降低主梁自重、抗彎性能好及預(yù)制方便等原因被運用得最為廣泛。另外提到的箱式截面以及板式界面中，橫截面的擬定主要從截面的高度與細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸兩方面入手。梁高與跨徑之間的高跨比往往是設(shè)計者遵循的設(shè)計基礎(chǔ)，1：20左右是比較合理的高跨比，通常在橋梁跨徑確定之后作為模型試算的梁高依據(jù)。例如30m跨度的鋼桁架橋梁梁高基本在1.5m左右。但如果當(dāng)?shù)刂鞴芑蛘邩I(yè)主單位對梁高沒有特殊要求，可適當(dāng)增加梁高以減少鋼束的用量，確定最環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方案。截面細(xì)部尺寸設(shè)計主要注意在翼板或頂?shù)装宓暮穸鹊臄M定，保證截面的承受能力，同時也需要關(guān)注鋼束所在位置結(jié)構(gòu)（馬蹄或腹板等）的尺寸。在市政橋梁中，經(jīng)常會出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)受集中荷載作用，局部應(yīng)力較大的情況，可在梁端大約一倍梁高距離內(nèi)適當(dāng)增大腹板厚度。

4.2 主梁間距

通常，隨著跨徑和梁高增加主梁間距也需要相應(yīng)增加。同時，梁間距的效率指標(biāo)也受翼板之間的寬度的正影響。例如，在中華人民共和國交通部出版的《公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖》中有具體表明：“主梁間距應(yīng)在裝配式預(yù)應(yīng)力混凝和鋼筋混凝土的簡單T型結(jié)構(gòu)梁徑上，要在16-40米的范圍之間內(nèi)，而主梁間距需要達(dá)到1.6米的要求，由于人行橫道的存在，因此主梁片數(shù)只有滿足要求5片，才能確保主梁間距的設(shè)計滿足橋梁整體質(zhì)量”。

4.3 橫隔梁

此結(jié)構(gòu)主要使用在主梁彎矩橫向分布影響較大的位置，橫隔梁的出現(xiàn)使梁的彎矩在橫向分布上更均勻。通常，在跨中和支點位置設(shè)計橫梁較多，特別是針對連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

5 市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化案例

市政橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化我國早幾年就已經(jīng)在實施了，也存在許多優(yōu)秀案例。例如在某地，需在“U”型溝谷的河床位置搭建橋梁，實測河水流速是3.3m/s，最大凍深98cm。當(dāng)?shù)丨h(huán)境平均溫度為10.8℃，最高氣溫39.2℃，最低氣溫-21℃。根據(jù)區(qū)域平面及路線擬定橋跨為80m+5×146m+81m，豎曲線半徑為120000m。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)則，橋梁選擇箱梁結(jié)構(gòu)。通過高跨比的擬定及計算，跨中的梁高達(dá)到3m，翼緣板懸臂長3m。依據(jù)工程項目資料，合理優(yōu)化橋梁的設(shè)計，橋梁的整體質(zhì)量才能提高。

6 結(jié)語

不難看出，市政橋梁設(shè)計的優(yōu)劣與橋梁各方面優(yōu)化程度息息相關(guān)。設(shè)計作為工程的開端，必須要做好把控，根據(jù)相關(guān)規(guī)范實施嚴(yán)格的要求，同時做到與實際情況有機(jī)結(jié)合，才能提高整體質(zhì)量。同時，橋梁設(shè)計需要多學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，完善不足，深度優(yōu)化設(shè)計，改變固有思維，積累豐富經(jīng)驗才能使的市政橋梁的設(shè)計發(fā)展得越來越好。

參考文獻(xiàn)

[1] 全洪剛.市政橋梁施工混凝土裂縫分析及其防治措施淺談[J].居舍，2018（07）：145.

[2] 衛(wèi)延濤.預(yù)應(yīng)力施工在市政橋梁建設(shè)中的應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2018（07）：224.

[3] 李舜堯.關(guān)于市政橋梁設(shè)計中的隱患分析與解決措施探討[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（18）：138.