跨越大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究

莫嘉俊

廣東華南建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510030

1 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，橋梁不僅是城市交通的基礎(chǔ)設(shè)施，也是連接不同地區(qū)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵紐帶。大跨度橋梁作為橋梁建設(shè)的重要組成部分，在連接遠(yuǎn)距離、跨越深谷、貫穿水域等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)橋梁相比，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)要求更高、施工難度更大，因此需要充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)等問題。

本文將對(duì)大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)進(jìn)行研究和探討，以期為大跨度橋梁的建設(shè)提供參考和指導(dǎo)。同時(shí)，本文也將展望未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢(shì)，以期為橋梁建設(shè)提供新的思路和方法。

2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 常見的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式

大跨度橋梁是指跨度大于200米的橋梁，由于其跨度大、設(shè)計(jì)要求高、施工難度大等特點(diǎn)，需要充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)等問題。常見的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式包括懸索橋、斜拉橋和鋼—混凝土組合橋梁等。這些結(jié)構(gòu)形式各有不同的受力特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。

懸索橋是一種懸掛在主塔上的主纜支撐橋面的橋梁，具有跨度大、設(shè)計(jì)美觀、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于大跨度懸索橋來說，傳統(tǒng)的主纜線形計(jì)算理論具有很大的誤差。因?yàn)樵跇蛄喝鐑?nèi)的恒載并非均勻分布，而且隨著跨度的增加這種不均勻性將更加明顯。為了懸索橋高精度的設(shè)計(jì)、施工和架設(shè)以及為建造更大跨度的懸索橋準(zhǔn)備條件，有必要考慮沿弧長(zhǎng)均布的主纜自重和由吊索所傳遞的集中荷載等實(shí)際情況，精確計(jì)算懸索橋的主纜線形[1]。

斜拉橋是一種由主塔和斜拉索支撐橋面的橋梁，具有跨度大、承載能力高、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于斜拉橋來說，在恒載狀態(tài)時(shí)，斜拉索可以看成是一種主動(dòng)受力構(gòu)件，可以通過設(shè)計(jì)斜拉索的索力來調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。斜拉橋成橋恒載內(nèi)力分布的合理與否是衡量設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。主要有剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、彎曲能量最小法和用索量最小法等設(shè)計(jì)方法。

鋼—混凝土組合橋梁是工程中常用的組合結(jié)構(gòu)，像型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)彎組合梁結(jié)構(gòu)和波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁等。在大跨度橋梁中，為加快施工速度和減輕結(jié)構(gòu)自重，采用組合結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢(shì)。為便于計(jì)算，一般要將其換算為一種材料的等效截面。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相反，組合梁結(jié)構(gòu)中的換算截面一般是將全截面換算為鋼截面來計(jì)算。剪力鍵的形式及構(gòu)造、溫度應(yīng)力的分析、收縮徐變影響的分析等都是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)[2]。

2.2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問題

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問題包括承載能力、自振頻率、施工難度、使用壽命、維護(hù)和修復(fù)等。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況充分考慮這些問題，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法進(jìn)行處理。以下是這些問題的具體介紹：

2.2.1 承載能力

承載能力是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問題。在設(shè)計(jì)過程中，需要確定橋梁的設(shè)計(jì)荷載和荷載組合，進(jìn)行靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算，以確保橋梁在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，還需要考慮橋梁的自重和外部因素對(duì)承載能力的影響，以確定橋梁的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。

為了確保橋梁的承載能力，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)橋梁的荷載進(jìn)行全面的分析和計(jì)算，包括靜態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載和臨時(shí)荷載等。靜態(tài)荷載主要來自于橋梁自身重量、行車荷載等常規(guī)荷載，動(dòng)態(tài)荷載主要來自于風(fēng)荷載、地震荷載等不穩(wěn)定的外部荷載，而臨時(shí)荷載則包括橋面上的施工荷載等。針對(duì)不同的荷載類型，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的計(jì)算方法，以確保橋梁在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2 自振頻率

自振頻率是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)橋梁的跨度、結(jié)構(gòu)形式和荷載等因素，確定橋梁的自振頻率，以避免自然風(fēng)荷載和地震荷載等外部因素對(duì)橋梁的影響。同時(shí)，還需要采取適當(dāng)?shù)拇胧缭黾訕蛎鎰偠?、加裝防振器等，以減小橋梁的振動(dòng)。

為了確定橋梁的自振頻率，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行橋梁的動(dòng)態(tài)計(jì)算和振動(dòng)測(cè)試。動(dòng)態(tài)計(jì)算主要是通過有限元分析等方法進(jìn)行的，可以計(jì)算橋梁的固有頻率、振動(dòng)模態(tài)等參數(shù)，從而確定橋梁的自振頻率。振動(dòng)測(cè)試則是通過安裝振動(dòng)傳感器等設(shè)備進(jìn)行的，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng)狀態(tài)，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)人員還需要考慮橋梁的穩(wěn)定性和剛度，以確保橋梁的振動(dòng)不會(huì)超出設(shè)計(jì)范圍。

2.2.3 施工難度

施工難度是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式、施工場(chǎng)地、材料、設(shè)備等因素，確定合理的施工方案和施工工藝，以確保施工的安全性和質(zhì)量。同時(shí)，還需要考慮施工期間的交通管制、環(huán)保等問題，以保證施工過程的協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性。

為了解決大跨度橋梁的施工難度問題，設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)階段充分考慮施工工藝和施工過程中的安全和質(zhì)量問題。例如，針對(duì)斜拉橋這種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)人員需要考慮斜拉索的張力調(diào)節(jié)和施工順序等問題，采取合理的施工方案，確保施工過程的順利進(jìn)行。

2.2.4 使用壽命、維護(hù)和修復(fù)

使用壽命、維護(hù)和修復(fù)是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問題。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮橋梁的使用壽命、維護(hù)和修復(fù)等因素，以確保橋梁在使用過程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，還需要采用適當(dāng)?shù)牟牧虾头栏胧?，定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命并保證橋梁的安全性。

為了確保橋梁的使用壽命，設(shè)計(jì)人員需要考慮橋梁的材料、防腐措施和檢測(cè)維護(hù)等因素。例如，在鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要考慮鋼箱梁的耐久性和防腐性，采取適當(dāng)?shù)姆栏胧?，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。同時(shí)，在使用過程中，需要定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)橋梁的問題，以確保橋梁的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

2.2.5 外部因素的影響

外部因素的影響是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的問題。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮地震、風(fēng)力等外部因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以確保橋梁的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，還需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)不同的外部因素。

針對(duì)地震影響，設(shè)計(jì)人員需要采用適當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)方法和技術(shù)，例如設(shè)置減震器、增加橋梁的耐震性能等。針對(duì)風(fēng)力影響，設(shè)計(jì)人員需要考慮橋梁的氣動(dòng)特性和風(fēng)荷載計(jì)算方法，采用適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)措施，如加裝防風(fēng)墻、設(shè)置減振器等。

此外，在設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮橋梁的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性等方面的問題，以確保橋梁的可持續(xù)性和社會(huì)效益。

總之，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)方面的問題，需要綜合考慮，采取合適的方法和技術(shù)，以確保橋梁的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分了解橋梁的使用環(huán)境和要求，進(jìn)行全面的計(jì)算和分析，制定合理的設(shè)計(jì)方案和施工方案，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3 大跨度橋梁施工技術(shù)

大跨度橋梁施工是大跨度橋梁建設(shè)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。大跨度橋梁施工具有施工周期長(zhǎng)、施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，因此需要采取一系列合理的施工技術(shù)，以確保施工過程的安全性和施工質(zhì)量[4]。

3.1 大跨度橋梁施工技術(shù)的分類

大跨度橋梁施工技術(shù)主要包括預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)、鋼橋梁施工技術(shù)和懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)等。不同的施工技術(shù)適用于不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和應(yīng)用。

3.1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于鋼筋混凝土橋梁和混凝土箱梁橋的建設(shè)。該技術(shù)通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，提高了橋梁的使用壽命和安全性。在預(yù)應(yīng)力混凝土施工過程中，需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力布置方案，控制預(yù)應(yīng)力張力的大小和分布，同時(shí)保證混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度。

3.1.2 鋼橋梁施工技術(shù)

鋼橋梁施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于鋼拱橋、鋼懸索橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式的建設(shè)。該技術(shù)通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝，形成橋梁的整體結(jié)構(gòu)，具有施工周期短、工程量小等優(yōu)點(diǎn)。在鋼橋梁施工過程中，需要采取適當(dāng)?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)制造和安裝技術(shù)，控制鋼結(jié)構(gòu)的尺寸精度和質(zhì)量，確保鋼結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。

3.1.3 懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)

懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于懸索橋、斜拉橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式的建設(shè)。采用無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行施工控制，可保證成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與線形達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。在懸索橋、斜拉橋的施工過程中，需要采取適當(dāng)?shù)膽宜骰蛐崩髦圃旌蛷埨夹g(shù)，控制張拉力的大小和分布，確保懸索或斜拉索的安全和可靠性。

3.2 大跨度橋梁施工技術(shù)的關(guān)鍵問題

大跨度橋梁施工技術(shù)涉及到多個(gè)關(guān)鍵的問題，如大跨度、長(zhǎng)懸臂連續(xù)剛構(gòu)施工橫向穩(wěn)定及平衡，需要從安全和質(zhì)量、材料和設(shè)備的選擇、施工工藝和施工管理等方面把控。

3.2.1 施工安全和質(zhì)量

在施工安全方面，通過大橋監(jiān)控單位檢測(cè)的應(yīng)力和線性數(shù)據(jù)，保證各種工況下應(yīng)力和撓度均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。設(shè)置施工通道、安全防護(hù)措施等，確保施工過程的安全性。同時(shí)，還需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，進(jìn)行材料檢測(cè)和施工檢查，確保施工質(zhì)量的達(dá)標(biāo)和可靠性。

3.2.2 材料和設(shè)備的選擇

在材料的選擇方面，需要考慮材料的質(zhì)量、強(qiáng)度、耐久性等因素，選擇符合要求的材料。在設(shè)備的選擇方面，需要考慮設(shè)備的功能、效率、安全性等因素，選擇機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)效率高的設(shè)備，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2.3 施工工法和施工管理

在施工工法方面，選用連續(xù)剛構(gòu)懸臂澆筑施工工法較優(yōu)。懸灌施工大跨度橋梁，梁節(jié)段線性圓順，兩端懸臂重量平衡，混凝土應(yīng)力及撓度變化穩(wěn)定，節(jié)段施工橫向穩(wěn)定性好、抗風(fēng)能力強(qiáng)。在施工管理方面，需要制定嚴(yán)格的管理制度和管理標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，確保施工過程的質(zhì)量和安全性[5]。

3.3 大跨度橋梁施工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的不斷發(fā)展和人們對(duì)橋梁安全性和使用壽命要求的提高，大跨度橋梁施工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。其中一些發(fā)展趨勢(shì)包括使用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)等。

3.3.1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)在大跨度橋梁施工中的應(yīng)用越來越廣泛，其能夠有效地提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字化技術(shù)包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程的可視化和智能化。例如，通過三維建模技術(shù)可以模擬橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程，預(yù)測(cè)施工過程中可能遇到的問題，提前做好解決方案，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)在大跨度橋梁施工中的應(yīng)用也越來越廣泛。智能化技術(shù)包括傳感器技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁施工過程的自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化。例如，通過傳感器技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的變化和狀態(tài)，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題，及時(shí)采取措施，保障施工的順利進(jìn)行。

3.3.3 先進(jìn)材料技術(shù)

先進(jìn)材料技術(shù)在大跨度橋梁施工中也有廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)材料技術(shù)包括高性能混凝土、高強(qiáng)度鋼材、納米材料等，這些材料具有更好的性能和性價(jià)比，能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。例如，采用高性能混凝土可以減少混凝土的裂縫和變形，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

總之，大跨度橋梁施工技術(shù)涉及到多個(gè)方面的問題，需要采取合理的施工技術(shù)和管理措施，以確保施工過程的安全性和施工質(zhì)量。同時(shí)，也需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，采用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)等，提高施工效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)性。

4 未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，大跨度橋梁的需求也將繼續(xù)增長(zhǎng)。未來，大跨度橋梁的建設(shè)將面臨更高的技術(shù)和安全要求，同時(shí)也將面臨更加復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境。因此，未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢(shì)將圍繞著可持續(xù)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面展開。

4.1 可持續(xù)性

未來大跨度橋梁的建設(shè)將更加注重可持續(xù)性，即在建設(shè)過程中盡可能減少對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)在使用過程中能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的性能。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性，未來大跨度橋梁建設(shè)將采用更加環(huán)保的材料和技術(shù)，同時(shí)也將注重橋梁的設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)環(huán)境的影響，以減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

4.2 安全性

大跨度橋梁的安全性一直是建設(shè)過程中最為重要的問題之一，未來的發(fā)展趨勢(shì)也將更加注重安全性。未來的大跨度橋梁將采用更加先進(jìn)的材料和技術(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)和施工過程中也將注重安全性的考慮，以確保橋梁在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

4.3 經(jīng)濟(jì)性

未來大跨度橋梁的建設(shè)也將更加注重經(jīng)濟(jì)性，即在保證橋梁質(zhì)量和安全的前提下，盡可能減少建設(shè)成本。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，未來的大跨度橋梁將采用更加智能化的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，同時(shí)也將采用更加優(yōu)化的管理措施，以降低建設(shè)成本。

綜上所述，未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢(shì)將圍繞著可持續(xù)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面展開。通過采用更加環(huán)保、先進(jìn)的材料和技術(shù)，注重橋梁的設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)環(huán)境和安全的影響，以及采用更加智能化、優(yōu)化的管理措施，未來的大跨度橋梁將更加穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，為城市化進(jìn)程提供更加可靠、高效的交通基礎(chǔ)設(shè)施。

5 結(jié)論

本文對(duì)跨越大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)進(jìn)行了研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并充分考慮承載能力、自振頻率、施工難度、使用壽命、維護(hù)和修復(fù)等問題。在施工技術(shù)方面，應(yīng)注意懸索、斜拉索和鋼箱梁的施工技術(shù)，以確保施工過程中的安全性和質(zhì)量。未來跨越大跨度橋梁的發(fā)展趨勢(shì)是使用新材料、新技術(shù)和新設(shè)計(jì)理念，并采用智能化監(jiān)測(cè)和維護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁的智能化運(yùn)營和管理。