橋梁設(shè)計方案及設(shè)計要點的分析

馮學俊 江蘇蘇邑設(shè)計集團有限公司

1 前言

經(jīng)濟的進步使得我國的交通事業(yè)也獲得了進一步發(fā)展的重要機遇，作為交通系統(tǒng)中的重要組成部分，橋梁的重要性毋庸置疑。因此，在對橋梁進行設(shè)計時，不僅需要考慮預(yù)期的應(yīng)用效果與建設(shè)目標，還要考慮到與周邊環(huán)境的融合性、建設(shè)經(jīng)濟性以及耐久性等。設(shè)計方案是否符合相關(guān)標準決定了橋梁的使用質(zhì)量與后期維修養(yǎng)護效果，應(yīng)提高對設(shè)計環(huán)節(jié)的重視，以保證設(shè)計方案實際應(yīng)用的合理性與有效性。

2 設(shè)計原則

第一是應(yīng)貫徹落實安全、耐久以及經(jīng)濟的設(shè)計理念，同時聯(lián)系實際建設(shè)環(huán)境綜合考慮工期、養(yǎng)護條件以及造價等因素，其也是突顯橋梁建設(shè)裝配化與標準化設(shè)計理念應(yīng)用優(yōu)勢的重要基礎(chǔ)。第二是應(yīng)對地形進行充分考慮，并在滿足預(yù)期建設(shè)需求的基礎(chǔ)上選擇應(yīng)用科學合理的施工工藝，并需要注意不同施工階段、不同地形的質(zhì)量控制的難度，例如庫區(qū)或陡坡。在明確橋梁建設(shè)環(huán)境的情況下才能選擇出施工方便且較為成熟的施工技術(shù)[1]。第三是若橋梁有跨越較大寬度的道路、河流以及管線的建設(shè)需要，應(yīng)將錯孔、大挑臂以及門架墩等作為橋梁架設(shè)首選方式，應(yīng)用正交標準跨徑。而若是位于道路中央的分隔帶具有橋墩設(shè)置條件，建議采取中央分隔帶的設(shè)墩方案以達到豎曲線高度的降低目的。部分橋墩結(jié)構(gòu)對水流或地形有著特殊的建設(shè)要求，因此應(yīng)在選擇應(yīng)用預(yù)制結(jié)構(gòu)前制定獨柱墩或斜橋布設(shè)的方案。第四是若有互通區(qū)橋梁或配跨等特殊要求，應(yīng)對視距的具體需要進行分析，包括平縱曲線以及地形條件等，以幫助進一步提升模板的施工效率。第五是確保墩身高度應(yīng)與橋梁配跨相符，以將橋梁的經(jīng)濟性以及上部結(jié)構(gòu)的建設(shè)協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢充分突顯出來。且需要聯(lián)系地形與立柱高度等做好動態(tài)設(shè)計工作，為其可觀賞性的進一步提升奠定堅實的基礎(chǔ)。

3 選擇合適的橋型方案

由于橋涵構(gòu)件的特殊性，聯(lián)系工程實際建設(shè)條件后設(shè)定了上下部結(jié)構(gòu)選型的重點，分別從經(jīng)濟、工期、結(jié)構(gòu)適用以及環(huán)境影響等角度進行了綜合比對，并選擇出了最佳的設(shè)計方案[2]。對橋位的建設(shè)條件進行綜合考慮后，制定出了三種符合建設(shè)要求的方案，分別為：雙主梁鋼板梁+預(yù)制橋墩、T梁+預(yù)制大挑臂蓋梁+預(yù)制橋墩以及T梁+樁柱式墩。隨后應(yīng)對三種方案的具體應(yīng)用效果進行技術(shù)經(jīng)濟比對與選擇。

3.1 雙主梁鋼板梁+預(yù)制橋墩

（1）橋式布置。本方案所設(shè)計出的上部結(jié)構(gòu)所選擇的主要為雙主梁鋼板，鋼板的組合梁的上部分結(jié)構(gòu)也較為簡潔且整體的吊裝重量較輕。該種方式對全鋼結(jié)構(gòu)的橋面疲勞問題進行了規(guī)避，從而能夠更為方便的做預(yù)制拼裝工作，相較全鋼結(jié)構(gòu)費用經(jīng)濟性較高。本方案所選擇建設(shè)的橋梁全長度為840m，上部采取左右兩個布置方向，而下部則選擇應(yīng)用預(yù)制裝配橋梁墩，并以鉆孔灌注樁為結(jié)構(gòu)建設(shè)基礎(chǔ)，其具體的橫斷面布置情況如圖1所示。

圖1 雙主梁鋼板梁+預(yù)制橋墩方案橫斷面

（2）上部結(jié)構(gòu)布置。在進行主梁設(shè)計時，建設(shè)四車道鋼板組合梁橋的主梁應(yīng)選擇應(yīng)用雙主梁鋼板組合梁，其設(shè)定的單幅橋面寬度應(yīng)控制在12.5m左右，整個雙幅寬度為25.5m。鋼主梁標準間距為6.75m，鋼梁與組合梁高度分別為1.75m與2.16m。

（3）下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)。選定作為預(yù)制裝配化橋墩的立柱形式為雙柱式，其結(jié)構(gòu)的截面尺寸為1.4m×1.4m，高度則通常為5m～7m，其主要選擇應(yīng)用C40混凝土。建設(shè)的基礎(chǔ)則應(yīng)選擇直徑為1.5m的灌注樁，且需要在連接時預(yù)先鑿除樁基的樁頭以方便與矩形橋墩相連接，又因為在安裝過程中需要保證對正精平，因此需要應(yīng)用合適的過渡方式，一般選擇澆承臺，完成過渡后的下部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)制裝配化橋墩連接模型

3.2 T梁+預(yù)制大挑臂蓋梁

本方案中上部結(jié)構(gòu)建設(shè)采取T梁與預(yù)制大挑臂蓋梁結(jié)合的方式，全長度為845m，其橫斷面結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該種方案橋墩與蓋梁之間的連接方式與方案1保持相同，均采取半灌漿套筒的連接形式之所以選擇應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)，目的是通過構(gòu)建預(yù)制大挑臂結(jié)構(gòu)能夠最大限度地將墩身與蓋梁、承臺之間的接縫數(shù)量減少，是提升工程整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)（見圖4）。

圖4 標準橫斷面

3.3 T梁+樁柱式墩

該方案所應(yīng)用的主結(jié)構(gòu)為常規(guī)T梁，全長度為845m。下部結(jié)構(gòu)采取鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)配合常規(guī)現(xiàn)澆橋墩的建設(shè)方式，最終形成的橋梁橫斷面布置圖如圖5所示。

圖5 T梁+樁柱式墩橫斷面

4 橋型方案選擇與專家組評審

需要從經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)可靠性以及技術(shù)可行等角度對三種方案進行比較，最終在結(jié)合工程所處環(huán)境條件特點與專家組評審意見后，確定選擇雙主梁鋼板梁配合預(yù)制橋墩的方式為本工程的橋梁建設(shè)方案。該方案不僅能夠保證為預(yù)制拼裝等施工工藝積累大量經(jīng)驗，也是形成一套完整的橋梁裝配化設(shè)計、施工以及管理流程的重要基礎(chǔ)，各個階段所應(yīng)用的技術(shù)由于已經(jīng)較為成熟，最大限度地降低了技術(shù)手段應(yīng)用不當而產(chǎn)生不良后果的風險。

5 鋼板梁計算分析成果驗證

5.1 模型計算

在對橋梁上部結(jié)構(gòu)進行計算時，應(yīng)首先選擇應(yīng)用midas軟件進行結(jié)構(gòu)分析，并同時利用梁單元離散結(jié)構(gòu)構(gòu)建空間內(nèi)的桿系結(jié)構(gòu)模型，其也是總體受力分析的前提條件。

5.2 參數(shù)計算

此工程的重要參數(shù)主要包括以下幾點：第一是結(jié)構(gòu)重要性參數(shù)1.1；第二是設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ；第三是混凝土的容重應(yīng)控制在每立方米26kN，瀝青鋪裝的容量應(yīng)控制在每立方米24kN；第四是支座沉降量應(yīng)設(shè)定10mm標準；第五是此類機構(gòu)在建設(shè)時溫度應(yīng)控制在-15℃～38℃。

5.3 計算結(jié)果

混凝土橋面板縱向的計算結(jié)果主要包括兩點，分別為承受能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)，最不利的位置為邊跨中，其應(yīng)力值與允許應(yīng)力值分別為11.8MPa，22.4MPa；正常使用極限狀態(tài)下，墩頂上緣為最不利位置，其正常使用極限裂縫寬度為0.12mm，允許值為0.15mm。

穩(wěn)定計算方面，首先是成橋階段：此時所形成的組合截面主要材料為鋼梁與混凝土，需要綜合考慮一期荷載、二期恒載與汽車荷載，并應(yīng)設(shè)定恒載作為計算常量、汽車荷載為變量以更好的驗證整體穩(wěn)定性；其次是施工階段：保證鋼主梁的應(yīng)用穩(wěn)定性是提升結(jié)構(gòu)整體安全性的重要計算部分?；炷龄佋O(shè)完畢后，初期鋼梁與混凝土結(jié)合不夠使得其并沒有形成一個完整個體，此時的鋼主梁所處的受力狀態(tài)并不穩(wěn)定。因此在計算荷載時應(yīng)重點關(guān)注混凝土自重與鋼梁，并需要核驗混凝土自重（變量）與鋼梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而獲得準確的一階失穩(wěn)模態(tài)。經(jīng)計算鋼主梁穩(wěn)定系數(shù)為3.9，與標準設(shè)計要求相符。

在計算剛度時應(yīng)考慮主梁在長期使用下的長期效應(yīng)影響，控制其最大的豎向變形為23mm＜L/500=70mm，以確保結(jié)構(gòu)剛度數(shù)據(jù)與規(guī)范要求相符。

6 結(jié)束語

綜上所述，明確橋梁設(shè)計原則并做好不同方案的比對篩選工作較為重要，并應(yīng)綜合考慮技術(shù)標準以及施工可行性等因素。由于初步設(shè)計方案并不完善，需要經(jīng)常進行變化，作為設(shè)計人員應(yīng)具有足夠的實際設(shè)計與施工經(jīng)驗，制定科學合理的橋梁設(shè)計方案，以奠定我國交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)。