大跨度橋梁設計的設計要點及優化措施

梁吉學　李聞濤

摘 要：隨著經濟社會的進步，交通事業得到了前所未有的發展，近年來，大跨度橋梁項目不斷增多，其結構形式也趨于多樣化、復雜化，而且大跨度橋梁的安全運營也關系到整個交通運輸事業的發展。但是我國現有的大跨度橋梁設計還存在很多不足與缺陷需要不斷優化。

關鍵詞：大跨度橋梁；設計要點；優化措施

目前的橋梁技術雖然已經能夠很好的解決大跨度橋梁現存的問題，但是隨著橋梁跨度的不斷增加，向著更長、更大、更柔方向發展，為了保證其建設的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易型以及美觀性，橋梁設計以及施工人員還有更多的工作要做。而大跨度橋梁結構優化設計的過程，也是為了更好的處理和解決橋梁結構的安全性、適用性以及經濟合理性、美觀性的過程。

1 大跨度橋梁的設計要點分析

1.1 大跨徑斜拉橋設計要點。大跨徑斜拉橋是一種拉索結構的橋梁，其既具有跨度大、承受力強以及穩定性高的特點，又具有較高的經濟比值特點，它相比于傳統的梁式結構橋梁具有更大的跨越能力。斜拉索橋梁有斜拉索、塔柱和主梁三個部分組成，在大跨徑斜拉橋概念設計階段，我們可以根據三者不同關系，組合成為多種形狀的結構橋梁，例如懸浮、固定、支承等。在設計索面時，根據橋梁最大承受力克設計為單索面和雙索面（雙平行索面或雙斜索面）兩種斜索平面類型，斜拉橋的拉索不需要固定的錨碇，其本身就帶有自錨特征，通常在山區河流或者峽谷跨徑在200m以上，800m以下范圍時，就可以選用斜拉橋結構。

1.2 大跨度懸索橋的設計要點。懸索橋是我國山區大跨度橋梁的主要類型，它由主纜、加勁梁、塔柱和錨碇幾個部分組成，在山區跨徑較大、高度較高的條件下，比較適合采用懸索橋的形式。現代懸索橋一般設計兩個塔柱作為橋身的基本支承，塔架采用鋼筋混凝土材料，其懸索的兩端通過錨碇固定在兩端，兩個塔架將懸索橋整體分為三個部分，及中跨部分和兩個邊跨部分，邊跨的長度需根據錨固位置和工程成本來定，一般來說，中跨與邊跨多采用2：1或者4：1的長度之比來設計，而其垂跨比一般設計為1：6或者1：7（根據橋塔高度可以適當調整）。

1.3 拱橋的設計要點。拱橋無疑是我國使用歷史最長的橋梁類型，傳統拱橋以石拱橋為主，而近現代又加入了鋼筋結構拱橋和混合類型的拱橋結構。現代拱橋結構多以鋼筋混凝土、鋼管混凝土拱橋為主，其施工簡單、建造便捷、經濟、承載能力強等特點，使得拱橋結構成為我國山區大跨度橋梁建設的重要橋梁類型。拱橋結構比較適合跨徑相對較短的峽谷V字地形，鋼管混凝土拱橋的拱肋可分為實體拱肋（包括單管和啞鈴形截面）和桁式拱肋（根據鋼管數可分為三管、四管和六管桁式）。在采用實體拱肋時需根據跨徑來選擇單管或者多管形式，單管的抗扭性能較高，施工簡單，但是抗彎性較低，其一般用于跨徑<80m的拱橋之中。而多管桁式拱肋則采用直徑較小的鋼管以增加其抗彎性能，其一般用于跨徑>100m的鋼管混凝土拱橋之中。

2 大跨度橋梁結構優化設計

2.1 局部優化。加勁梁橫截面的優化。大跨度橋梁的加勁梁主要是由鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。就目前建成的大跨度橋梁中，主跨梁的主要形式多數以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結合梁以及混凝土梁較少且相對較小。

斜拉索或主纜的動力優化。由于斜拉橋和懸索橋是當前大跨度橋梁建設的主要橋式，兩者具有共同的特點，即都是由纜索支承，且橋面柔軟，屬于柔性結構，其阻尼值較低。在外部激勵下，拉索極易出現大幅度的振動，如風雨交加時的出現的主梁和拉索之間的耦合振動引起的參數共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振動極易引起拉索錨固端的疲勞、降低了拉索的使用壽命，嚴重時甚至會直接影響橋梁結構的安全系數。

橋墩及基礎的優化。橋墩以及基礎是橋梁重要支撐結構，也是橋梁下部結構中的重要組成部分，對橋梁的穩固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎不論在數量、位置、還是結構形式上，都對橋梁的穩固、耐久有直接的影響，但對橋梁上部結構的影響較小。因此，在對橋墩和基礎進行設計時，應針對具體的橋梁進行考慮。

2.2 整體優化。大跨度橋梁都為高次超靜定結構，結構復雜，設計變量多，建設和設計又涉及到多方面的因素。因此，要對其進行全面整體的優化或全過程的優化依然存在困難。這種困難不僅在于其目標函數的建立，也在于對已建立的目標函數尋求最優解的計算速度和可能性。為此，對大跨度橋梁結構的優化研究多以局部優化為主。但是綜合評價一座橋梁的優劣不是僅僅憑借局部的進行評判，而是要看整體的效果和運營，因此對橋梁的整體結構進行優化設計存在著一定的難度。目前對大跨度橋梁的整體優化主要有以下幾個方面：整體造價最優，整體動力性能優化，整體施工工藝優化，橋梁結構優化設計與景觀優化設計相協調。

2.3 橋梁上部結構優化。上部構造形式的選擇，應結合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術難度和經濟性。簡支空心板結構的橋型，施工方便，施工技術成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協調，美觀性差；上部構造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。預制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價省、施工方便的特點，其造價低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產生的不平衡力大。但當曲線橋的彎曲程度較小時，曲線T梁橋采用直梁設計，以翼緣板寬度調整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補曲線T梁橋受力和施工上的不足。雖然直線設臵的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。

2.4 橋梁下部結構優化。下部結構應能滿足上部結構對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結構相互協調、布臵均勻。橋墩視上部構造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結構穩定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對于連續剛構橋，要注意把握上下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度，可減小剛結點處的負彎矩，同時減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產生的內力。但是橋墩也不可以太柔，否則會使結構產生過大變形，影響正常使用，并不利于結構的整體穩定性。對于連續梁結構或連續剛構橋，各墩的穩定性受相鄰橋墩的制約影響，應取全橋或至少一梁作為分析對象。穩定分析的中心問題就是確定構件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載。

3 結語

隨著我國交通事業的快速發展，大跨度橋梁的發展也十分迅速。如何在滿足結構使用要求的前提下對橋梁結構進行合理的優化設計已經成為目前大跨度橋梁設計的重要內容。本文對大跨度橋梁的設計要點進行了概況，并提出了具體的優化措施，希望可以給同行提供參考。

參考文獻

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