公路橋梁中大跨度橋梁設(shè)計(jì)研究

隋春來(lái)

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 深圳518034）

1 引言

我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，遍布著大量地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，很多地方都需建設(shè)大跨度的公路橋梁來(lái)滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的主、客觀需要。因此，大跨度公路橋梁的設(shè)計(jì)工作受到了越來(lái)越多的重視。要想促進(jìn)大跨度公路橋梁的發(fā)展，必須提升其穩(wěn)定性和耐久性，這就對(duì)大跨度公路橋梁的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要展開(kāi)進(jìn)一步的研究工作，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提升大跨度公路橋梁的整體建設(shè)質(zhì)量。

2 大跨度公路橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

大跨度公路橋梁在當(dāng)今實(shí)際工程中使用最多的有3 種，即大跨度斜攔橋梁、大跨度懸索橋梁和大跨度拱形橋梁。分別闡釋如上。

2.1 大跨度斜拉橋梁設(shè)計(jì)

大跨度斜拉橋梁多采用200～800m 跨度，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及跨越能力，多用于跨越水面較寬的江、海、峽谷等。大跨度斜拉橋梁主要由主梁、索塔、斜拉索3 部分構(gòu)成。橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，為避免部分特殊地質(zhì)條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響，需要結(jié)合勘察資料及實(shí)際的建設(shè)條件，通過(guò)對(duì)橋梁跨徑、結(jié)構(gòu)體系、錨拉體系等設(shè)計(jì)要素進(jìn)行組合，以達(dá)到采用不同的斜拉橋型來(lái)滿足不同的景觀及使用需求。

在大跨度斜拉橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)橋梁索面設(shè)計(jì)予以足夠的重視。根據(jù)橋梁的受力體系特點(diǎn)有針對(duì)性地選擇索面類型?，F(xiàn)階段已建成的大跨度斜拉橋梁中，雙斜索面、平行索面是較為常見(jiàn)的承載索面【1】。

2.2 大跨度懸索橋梁設(shè)計(jì)

大跨度懸索橋梁多應(yīng)用于高差起伏較大，距離較遠(yuǎn)的山林谷地，橋梁跨徑不大于2 000m。橋梁主要包括索塔、主纜、吊索、加勁梁、錨碇等結(jié)構(gòu)。根據(jù)懸索橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)多將索塔設(shè)于被跨越的山谷兩側(cè)高地作為懸索橋的主要承力結(jié)構(gòu)，通過(guò)加勁梁、吊索、主纜、索塔層層傳力，以達(dá)到大跨度跨越的設(shè)計(jì)目的。懸索橋多采用3 跨結(jié)構(gòu)，以索塔作為邊跨與中跨的分界。為保證懸索橋的強(qiáng)度，索塔塔身的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40，鋼索塔、鋼加勁梁宜采用牌號(hào)Q345、Q390 的鋼材。

2.3 大跨度拱形橋梁設(shè)計(jì)

大跨度拱形橋梁是在傳統(tǒng)拱橋的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。設(shè)計(jì)人員在傳統(tǒng)拱橋基礎(chǔ)上加入現(xiàn)代設(shè)計(jì)元素，引入各類新技術(shù)、新工藝、新材料，最終設(shè)計(jì)完善成為大跨度拱形橋梁。其相較于傳統(tǒng)拱橋優(yōu)勢(shì)較為顯著，在施工工期顯著縮短、承載能力成倍增長(zhǎng)、所用的材料成本相對(duì)較低的同時(shí)，大跨度拱形橋梁的跨度、穩(wěn)定性、可靠性顯著提升【2】。

在淺層地質(zhì)條件較好的山地、峽谷，公路大跨度拱形橋梁屬于首選類型。根據(jù)拱形橋的結(jié)構(gòu)承載形式，現(xiàn)階段公路大跨度拱形橋梁較為常見(jiàn)的有上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋。根據(jù)拱形橋的筑造材料，現(xiàn)階段公路大跨度拱形橋梁較為常見(jiàn)的有鋼筋混凝土拱橋、鋼桁架拱橋和鋼管混凝土結(jié)合拱橋，其中尤以鋼管混凝土結(jié)合拱橋最為常見(jiàn)。

3 改善大跨度公路橋梁設(shè)計(jì)水平的優(yōu)化措施

3.1 大跨度公路橋梁整體設(shè)計(jì)優(yōu)化

大跨度公路橋梁跨越的往往都是高山丘壑，橋梁設(shè)計(jì)的安全性尤為重要。因此，無(wú)論從結(jié)構(gòu)承載力方面，還是從結(jié)構(gòu)耐久性方面，都導(dǎo)致了幾乎所有類型的大跨度公路橋梁結(jié)構(gòu)都異常復(fù)雜，這就造成在大跨度公路橋梁建設(shè)過(guò)程中，其設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性居高不下。而受限于復(fù)雜的地理結(jié)構(gòu)，及大跨度公路橋梁多為高次超靜定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，橋梁在模擬計(jì)算過(guò)程中會(huì)受到很多環(huán)境地質(zhì)因素、建筑材料因素、氣候水文因素等復(fù)雜因素的影響。這些因素在橋梁施工期間同樣會(huì)對(duì)大跨度公路橋梁的施工帶來(lái)難度上的提升。

因此，如何能夠在采取有效措施保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、耐久的前提下，對(duì)大跨度公路橋梁整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低橋梁的施工難度，合理控制建設(shè)難度和施工成本，是大跨度公路橋梁整體設(shè)計(jì)需要優(yōu)化的主要方向。

3.2 大跨度公路橋梁局部設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)及筑橋材料性能的日益提高，越來(lái)越多的新技術(shù)、新工藝、新材料不斷投入使用，有效地彌補(bǔ)了原有橋梁體系中的短板，提升了橋梁的承載能力和使用壽命。大跨度橋梁的局部?jī)?yōu)化就是有針對(duì)性地對(duì)橋梁的受力構(gòu)件、易損構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度優(yōu)化，在提升橋梁結(jié)構(gòu)安全度和耐久度的同時(shí)，增加橋梁的跨越能力，降低了橋梁的工程造價(jià)。

現(xiàn)階段，我國(guó)鋼材產(chǎn)能大大提升，鋼材價(jià)格不斷降低，使得鋼材作為一種重量更輕、抗拉強(qiáng)度更好的結(jié)構(gòu)材料，越來(lái)越多地被應(yīng)用在了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。通過(guò)將原本橋梁結(jié)構(gòu)中自重大、跨越能力弱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)替換為鋼結(jié)構(gòu)梁體或鋼混疊合梁體，大大降低了梁體的自重，在梁高高度降低的同時(shí)，大幅度提高了橋梁的整體跨度。公路大跨度斜拉橋和懸索橋的加勁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是基于此項(xiàng)方式進(jìn)行的。

而對(duì)橋梁跨徑比、垂直比、矢跨比等的深入研究，對(duì)橋梁自振頻率和結(jié)構(gòu)共振理論的不斷探索、多種阻尼材料的研制和應(yīng)用，也不斷為公路大跨度橋梁的跨度加大、強(qiáng)度增強(qiáng)、耐久度及安全性提升提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

3.3 大跨度公路橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

大跨度公路橋梁從立項(xiàng)、投資、設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程涉及各項(xiàng)因素，是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。對(duì)于大跨度公路橋梁上部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)優(yōu)化是整個(gè)大跨度公路橋梁建設(shè)改良的重要部分。設(shè)計(jì)人員需要考慮大跨度公路橋梁在施工過(guò)程中存在的技術(shù)局限性，掌握大跨度公路橋梁的最大承載能力，合理控制工程的建設(shè)成本。對(duì)于部分較為復(fù)雜的地形、地貌區(qū)域，大跨度公路橋梁應(yīng)根據(jù)自身跨度、轉(zhuǎn)彎半徑、梁底凈空等因素綜合考量，選取適合的梁體結(jié)構(gòu)。如空心板高跨比大，跨徑小，適用于地形相對(duì)平緩、跨度相對(duì)較小路段；T 梁為開(kāi)口斷面，抗彎性能相對(duì)較差，適用于地形相對(duì)陡峭、跨度中等、路線較為平直的路段；等截面箱梁抗彎性能好，適用于跨度中等的平直路段及轉(zhuǎn)彎半徑較小的路段；變截面懸臂梁跨徑較大，結(jié)構(gòu)抗彎能力強(qiáng)，適用于跨度較大、轉(zhuǎn)彎半徑較小的路段等。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)充分利用和發(fā)揮所選結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，利用不同梁體的特點(diǎn)，合理選擇橋梁的上部結(jié)構(gòu)，確保大跨度公路橋梁自身結(jié)構(gòu)特性及其性能可以充分發(fā)揮，保證大跨度公路橋梁最終建設(shè)效果【3】。

3.4 大跨度公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)于大跨度公路橋梁的橋墩、樁基，其布設(shè)位置和數(shù)量變化都會(huì)對(duì)橋梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為提高大跨度公路橋梁穩(wěn)定性，必須對(duì)橋墩和樁基進(jìn)行優(yōu)化。橋墩設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的寬度合理選擇橋墩布設(shè)寬度，橋墩宜采用多墩結(jié)構(gòu)，增加橋梁的抗傾覆能力。同時(shí)，橋墩設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意把握結(jié)構(gòu)剛度，合理分配同一聯(lián)的墩頂力，充分發(fā)揮每根橋墩的作用。橋梁樁基布置應(yīng)結(jié)合橋墩布置方式對(duì)應(yīng)設(shè)置，同一橋墩下樁基長(zhǎng)度及持力層應(yīng)盡量保持一致，并結(jié)合地勘資料進(jìn)行樁基驗(yàn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，不斷推動(dòng)公路交通體系的完善。大跨度公路橋梁是交通體系的重要組成部分，推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展是當(dāng)前一項(xiàng)重要工作。大跨度公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要，對(duì)自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保大跨度公路橋梁的整體建設(shè)成效。實(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)建設(shè)做出重要貢獻(xiàn)。