大跨度橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化措施研究

黃吉滔

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088）

0 引言

隨著我國(guó)公路交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，跨江和跨海的大跨度橋梁逐漸增多，因此，對(duì)大跨度橋梁建設(shè)、設(shè)計(jì)及施工提出了新的挑戰(zhàn)。大跨度橋梁分為懸索橋、斜拉橋及拱橋等。在工程實(shí)踐中，由于大跨度橋梁具有跨徑大、受力性能好、經(jīng)濟(jì)合理等特征，同時(shí)具備施工便捷、造型優(yōu)美等優(yōu)勢(shì)[1]，所以應(yīng)用廣泛。大跨度的橋梁意味著更高標(biāo)準(zhǔn)的施工方法、強(qiáng)度更高的材料、更嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)計(jì)算。然而，大跨度橋梁工程規(guī)模大、技術(shù)難度大，橋梁如何合理選型、選擇跨徑等都會(huì)對(duì)大跨度橋梁建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出了更高要求。因此，開展大跨度橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究、探索設(shè)計(jì)優(yōu)化措施勢(shì)在必行。因此，如何將大跨度橋梁更好地應(yīng)用于工程中，是所有橋梁從業(yè)者的追求。該文將從大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)出發(fā)，分析不同類型大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的不足，提出一些優(yōu)化措施。

1 大跨度橋梁簡(jiǎn)介

20 世紀(jì)80 年代，上海黃浦江大橋的建成，標(biāo)志著我國(guó)自主建設(shè)特大跨徑橋梁進(jìn)入新階段。90 年代，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，國(guó)家培養(yǎng)了大批量的橋梁設(shè)計(jì)人才，先后建成了楊浦大橋，主跨長(zhǎng)602 m，廣東汕頭海灣大橋，主跨長(zhǎng)452 m，江陰大橋，跨度長(zhǎng)達(dá)千余米。這些均屬于大跨徑橋梁。大跨徑橋梁的特點(diǎn)是跨徑和橋?qū)挾即?，有足夠的承載能力，安全性能和穩(wěn)定性有足夠的保障。大跨徑橋梁不僅承載性能高，而且體積龐大，具體表現(xiàn)為以下四個(gè)方面[2]：

（1）大跨徑橋梁體積相比一般橋梁大，無(wú)論是橋長(zhǎng)還是橋?qū)?，都能看出大跨徑橋梁的龐大?/p>

（2）大跨徑橋梁的施工組織設(shè)計(jì)比一般橋梁復(fù)雜。施工不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此大跨徑橋梁的施工要更加嚴(yán)密和精準(zhǔn)，保障施工后的橋梁結(jié)構(gòu)接近橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

（3）在結(jié)構(gòu)組織及規(guī)劃方面也較為復(fù)雜。從大跨度橋梁主體結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，很多橋梁都需要對(duì)該橋體過(guò)渡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)橋梁實(shí)際長(zhǎng)度、寬度等進(jìn)行元素融入。

（4）大跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)，梁中所受彎矩更大。要保證大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)受力與一般橋梁類似，必須加強(qiáng)承載力的設(shè)計(jì)，保證車輛能夠正常通行。因此，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)和本身的材料都提出了更高的要求，需要有更大的強(qiáng)度和更小的自重來(lái)滿足要求。

2 工程概況

該文依托工程為某大跨度斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)為10.03 km，主航道橋?yàn)橹骺? 176 m 的鋼桁梁斜拉橋，設(shè)計(jì)速度100 km/h；下層橋面上游側(cè)布置兩線城際鐵路，設(shè)計(jì)速度200 km/h；下層橋面下游側(cè)布置4 車道一級(jí)公路，過(guò)江段設(shè)計(jì)速度8 km/h。表1 為大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)

3 大跨度橋梁設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 大跨度懸索橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

懸索橋是一種主要承受拉力的構(gòu)件，同樣也屬于柔性結(jié)構(gòu)。懸索橋在施工完成前，只確定了主塔的設(shè)計(jì)高度和矢高控制點(diǎn)高程，其他的參數(shù)信息都是未知的。在整個(gè)施工中，纜線和吊桿的受拉都是一次性的，無(wú)法提前預(yù)知。纜線的線形受外界環(huán)境的影響較大，會(huì)根據(jù)溫度的不同，出現(xiàn)較大偏差，因此懸索橋的施工方法尤為重要，應(yīng)嚴(yán)格掌控纜線的張拉，滿足橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求[3]。

懸索橋在施工前無(wú)法預(yù)知材料的張拉性能，因此需要提前模擬和計(jì)算。設(shè)計(jì)懸索橋的方法有兩種，解析法和數(shù)值仿真法。解析法相比數(shù)值仿真法用到的代碼較少、計(jì)算時(shí)間短、收斂快，在短時(shí)間內(nèi)能得到計(jì)算結(jié)果，并且結(jié)果的誤差較小，多應(yīng)用于懸索橋主纜計(jì)算分析。而解析法也有其缺陷，例如解析法的計(jì)算方式無(wú)法獲得主塔的內(nèi)力和加勁梁的內(nèi)力，需要重新計(jì)算這兩種內(nèi)力，這樣一來(lái)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。實(shí)際荷載作用與解析法計(jì)算的荷載作用有所出入。表2為解析法計(jì)算理論分類。

表2 解析法計(jì)算理論分類

解析法將橋梁簡(jiǎn)化為線形，而數(shù)值仿真可以完整地還原橋梁本身的非線性，更加接近于實(shí)際情況。并且各種形狀的橋型都適用。數(shù)值仿真法建立的有限元模型可以將橋梁的三維實(shí)體還原，各個(gè)構(gòu)件之間的相互作用和相互影響也可以考慮進(jìn)去，因此利用數(shù)值仿真的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸索橋的三維分析。對(duì)橋面系的模擬是橋梁模型的重要部分，橋面系的梁式簡(jiǎn)化模型主要有單主梁模型、雙主梁模型和三主梁模型，圖1 為雙主梁模型。同樣數(shù)值仿真法也有其缺陷，數(shù)值仿真中的三維模型對(duì)構(gòu)件的局部處理不夠精確，并且要不斷計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果收斂。整個(gè)過(guò)程要不斷做重復(fù)性的工作，而且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高。

圖1 雙主梁模型

3.2 大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，變量較多，技術(shù)含量高。橋型的選擇和設(shè)計(jì)有著一定的難度。當(dāng)?shù)缆肪€形面臨跨度較大的河流峽谷時(shí)，可優(yōu)先采用斜拉橋。斜拉橋的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）跨越能力更強(qiáng)，對(duì)比圖2 連續(xù)梁橋和圖3 斜拉橋的內(nèi)力圖，梁橋的拉索使彎矩分配更加均勻，沒有較大的彎矩產(chǎn)生。

圖2 連續(xù)梁橋恒載彎矩圖

圖3 斜拉橋恒載彎矩圖

（2）建筑小巧，橋下有足夠的空間。

（3）造型美觀，可塑性強(qiáng)。

同樣斜拉橋也有其劣勢(shì)：

（1）計(jì)算復(fù)雜。斜拉橋設(shè)計(jì)計(jì)算中變量過(guò)多，要設(shè)計(jì)出最經(jīng)濟(jì)合理的橋型難度較大。

（2）施工復(fù)雜。斜拉橋?qū)κ┕さ募夹g(shù)要求極高，需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)施工。

（3）構(gòu)件連接復(fù)雜。

斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要構(gòu)件如表3 所示。斜拉橋的設(shè)計(jì)靈活，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行組合。

表3 斜拉橋主要構(gòu)件及材料形式

3.3 大跨度拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

傳統(tǒng)的橋梁形式大都以拱橋?yàn)橹鳎⑶掖蠖鄶?shù)都為石拱橋。隨著時(shí)代的進(jìn)步，現(xiàn)在的拱橋設(shè)計(jì)不再拘泥于實(shí)用功能，更多的是美觀性，加入一些現(xiàn)代化元素，使拱橋更具觀賞性。拱橋適合應(yīng)用在跨徑較小的橋梁上，但拱橋上的拱肋可以調(diào)整，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)大跨徑拱橋時(shí)可以調(diào)整拱肋的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)拱橋的大跨徑。表4 為大跨度拱橋分類形式。同時(shí)采用新型的建筑材料，例如鋼筋和混凝土。拱橋可以與其他形式的橋梁進(jìn)行結(jié)合，增加橋梁的設(shè)計(jì)可能性，使橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到更高的水平[4]。同時(shí)，從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，拱橋的應(yīng)用在某種程度上受到跨徑的限制。因此，當(dāng)采用實(shí)體拱肋的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，需依據(jù)橋梁的實(shí)際情況，確定合適的鋼管形式。單管形式性能良好，一定程度上可以簡(jiǎn)化施工流程，然而也存在抗彎性有限的缺點(diǎn)。多管形式一方面具備較好的抗彎性能，另一方面可以應(yīng)用于大跨度橋梁中。綜上所述，在拱橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合橋梁實(shí)際情況，科學(xué)選型，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)方案合理性。

表4 大跨度拱橋分類形式

4 大跨度橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法

第一，梁橋主要承受彎矩，因此需要加強(qiáng)梁的橫截面設(shè)計(jì)。無(wú)論是鋼梁還是混合梁都需要全面強(qiáng)化。我國(guó)在梁橋的材料選擇上，大多數(shù)選用鋼材，對(duì)混凝土和鋼材的結(jié)合較少，因此在以后的設(shè)計(jì)中可以加強(qiáng)鋼材和混凝土的混合使用，以此來(lái)提高梁橋的抗彎性能[5]。

第二，在大跨度橋梁建設(shè)中，多采用斜拉橋、懸索橋的結(jié)構(gòu)形式。這兩種形式均使用橋梁拉索并結(jié)合堅(jiān)固支撐。在不利自然因素和工程因素綜合作用下，橋梁拉索強(qiáng)度減小，橋梁承載力降低。因此，在對(duì)斜拉橋斜拉索和主纜動(dòng)力優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視斜拉索在外界因素作用產(chǎn)生的震動(dòng)等現(xiàn)象。

第三，為了提高橋梁承載力，增強(qiáng)橋梁安全穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)橋梁橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行充分優(yōu)化。對(duì)橋梁狀況充分了解后，在滿足上部荷載基礎(chǔ)上，反復(fù)論證基礎(chǔ)選型和橋墩尺寸，從而使大跨度橋梁具備較好的穩(wěn)固性能和安全性能。

4.2 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求操作，還需考慮施工的便捷性以及其他因素。在設(shè)計(jì)初期，在滿足橋梁承載力性能的前提下，通過(guò)優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)最大限度上提升橋梁性能。比如，簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)技術(shù)可以降低橋梁施工難度，提升橋梁建設(shè)質(zhì)量。然而，采用該項(xiàng)技術(shù)建設(shè)過(guò)程中，容易出現(xiàn)橋梁高跨不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。因此，為了增強(qiáng)大跨度橋梁上下結(jié)構(gòu)的連接程度，消除施工隱患，在設(shè)計(jì)中應(yīng)合理設(shè)置伸縮縫，伸縮縫數(shù)值過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響車輛行駛體驗(yàn)。同時(shí)，據(jù)調(diào)查研究表明，在橋梁建設(shè)施工過(guò)程中，適當(dāng)優(yōu)化懸索橋錨旋可以提升橋梁的整體性能，消除橋梁建設(shè)本身存在的安全隱患，對(duì)橋梁建設(shè)意義重大。在優(yōu)化斜拉橋過(guò)程中容易出現(xiàn)位移以及受力不均勻的現(xiàn)象，為了避免這一問題，在優(yōu)化時(shí)必須加大對(duì)橋梁工程非線性條件的考察力度。

4.3 墩臺(tái)塔吊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，一般采用塔吊設(shè)備進(jìn)行翻模施工。在大跨度橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，首先將施工平臺(tái)同模板固定，為了便于上層模板安裝和后續(xù)測(cè)量工作的正常進(jìn)行，須拆卸下層模板。對(duì)整個(gè)施工過(guò)程而言，需要將模板與施工平臺(tái)看作單獨(dú)的個(gè)體。而大部分施工人員將施工平臺(tái)和模板看作整體，設(shè)計(jì)與施工不相匹配。綜上，采取墩臺(tái)塔吊翻模施工技術(shù)，一方面可以簡(jiǎn)化施工工藝，另一方面可以提高墩臺(tái)外觀的美觀性，減少表面裂縫的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了模板與施工平臺(tái)的分離。

4.4 整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多變量，且屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法做到準(zhǔn)確判斷，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮各種因素，對(duì)橋梁質(zhì)量做出合理評(píng)判，同時(shí)評(píng)判過(guò)程應(yīng)結(jié)合橋梁的各項(xiàng)參數(shù)及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。在當(dāng)前大跨度橋梁建設(shè)過(guò)程中，采用整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在一定難度，主要是受到建設(shè)環(huán)境、工程造價(jià)及施工技術(shù)等因素影響。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合國(guó)外的設(shè)計(jì)模式及設(shè)計(jì)理念，對(duì)照橋梁建設(shè)情況，引入功能評(píng)價(jià)、造價(jià)控制等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，大跨度橋梁建設(shè)必然朝著更大跨度方向發(fā)展，也必然面臨更嚴(yán)峻的技術(shù)問題。因此，在今后的大跨度橋梁建設(shè)中應(yīng)重視設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從橋梁的各個(gè)結(jié)構(gòu)層面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而使我國(guó)大跨度橋梁建設(shè)不斷取得新突破、新進(jìn)展，為區(qū)域交通運(yùn)輸發(fā)揮保障和先行引導(dǎo)作用。