不同類型大跨度公路橋梁設計要點及優化分析

黃超

摘 要：為了提高大跨度公路橋梁結構的質量，對大跨度拱橋、大跨度斜拉橋、大跨度懸索橋等不同類型的大跨度公路橋梁設計要點進行了分析，并從大跨度公路橋梁結構局部優化、整體優化、上部結構優化和下部結構優化等方面對大跨度公路橋梁結構的設計優化方法進行了分析。實踐表明，科學合理的優化方案可確保大跨度公路橋梁結構的設計質量，提高公路橋梁工程的使用壽命。

關鍵詞：大跨度公路橋梁;設計;優化

0 前言

為適應地區交通需求，大跨度公路橋梁建設項目不斷增多。雖然當前大跨度公路橋梁建設中各項設計理念、設計方法有了改進和完善，但是考慮到不同地區地形、交通荷載要求及技術難題等因素，在開展大跨度公路橋梁設計的過程中仍存在一定的薄弱環節。面對各種造成“建設難”的問題，設計人員應當從公路橋梁設計之初入手，通過設計方案的優化調整，使得當下設計方案滿足工程建設的要求。

1 不同類型大跨度公路橋梁設計要點

大跨度公路橋梁建設中主要的形式包括拱橋、懸索橋及斜拉橋等，在近年我國的大型公路橋梁建設中斜拉橋有著許多身影，也是公路橋梁建設中發展最為迅速的技術。在未來的發展預測中，公路橋梁的跨度必然會更大、更長、更柔，這就需要根據不同類型公路橋梁總結好設計要點。

1.1 大跨度拱橋設計要點

拱橋在我國的公路橋梁建設進程上有著悠久的發展歷史，但是近年來隨著公路建設事業的迅猛發展，大跨度拱橋的建設項目相對減少，其難以滿足更加復雜地形及跨度更大的建設要求。大跨度拱橋的跨度設計需要在500 m以下，故而城市的公路橋梁及山澗寬度較窄的情況中會有應用。在設計時可以通過有限元軟件對公路橋梁結構設計好計算模型，根據支架應力將公路橋梁各部位應力、變形及強度等指標進行確認，保證拱橋支架等部位設計的合理科學。鋼筋混凝土在拱橋結構施工中的融合其承載力較強，施工作業相對簡單，故而有著廣泛的應用。

1.2 大跨度斜拉橋設計要點

通常來看，大跨度斜拉橋在間距200 m～800 m的河流、河谷及山澗的跨越公路橋梁建設中會有著優先的考慮應用。大跨度斜拉橋設計中，穩定性因素、承載力因素以及整體跨越能力都是首要關注的內容，這也是斜拉橋形式的主要優勢。而主梁、索塔以及斜拉索是應當著重設計的部分。斜拉橋的主梁給整體結構提供了彈性支撐力，并且其受力的跨度較小。

作為斜拉橋的主要部件，主梁對公路橋梁整體的荷載及支撐能力意義重大。當前應用較多的主梁為鋼梁，鋼梁是基于鋼材料制作成的主梁，混合梁應用相對較少;索塔是實現斜拉索拉起主梁的重要模塊，在設計中通常會進行一些景觀造型方面的考慮，多選擇倒Y型或V型。索塔的設計中高度設計必須充分考慮綜合因素，包括施工條件、施工難度、整體造價、工作效率等;斜拉索連接著主梁和索塔，是實現荷載傳遞的重要媒介，一般在設計中由鋼索、錨具以及相應的減震配置構成。作為公路橋梁中的柔性結構，在外力作用下必然會發生振動情況。例如惡劣天氣情況下斜拉索的振動會導致連鎖反應的出現，包括破壞錨具、縮短斜拉索壽命甚至影響公路橋梁安全系數等，故而斜拉索的設計必須考慮好動力設計。在不同情況下的斜拉橋設計應當基于建設環境從主梁、索塔和斜拉索等部分進行重點設計。基于各部分關系的設計出不同性狀、結構的公路橋梁，保證其固定能力、懸浮能力以及支撐能力。

1.3 大跨度懸索橋設計要點

懸索橋設計的發展標志著公路橋梁整體建設的發展水平。在大多數的高山地區公路橋梁項目中，懸索橋有著廣泛的應用。大跨度懸索橋的設計應當重點關注橋塔部分，橋塔的設計情況對懸索橋荷載能力有著直接影響。在多數的大跨度懸索橋設計中，會選擇兩個橋塔的形式結構，兩個橋塔可以將公路橋梁整體分成邊跨和中跨。橋塔的位置設計需要重點研究，一般邊跨和中跨的設計比值控制1：4或者1：2，垂直比在1：6～1：7。各種比例確定要根據建設場地情況進行優化計算。

2 大跨度公路橋梁設計優化方法

2.1 局部優化

大跨度公路橋梁設計中的局部優化可以實現公路橋梁整體性能的有效提升，局部優化可以實現對公路橋梁設計中部分短板的彌補提升整體公路橋梁的性能。另外，局部優化相對容易實現，其變量考慮明顯少于整體優化，且研究深度能夠更加清晰。當前局部優化的設計可以滲透到大跨度公路橋梁結構的各個部位環節，大致包括斜拉索動力優化、加勁梁橫截面優化、索塔結構優化、錨固優化、懸索橋錨碇優化、橋塔優化等。

2.2 整體優化

大跨度公路橋梁的結構都非常復雜，設計中應用到的變量繁多，在建設過程中也會有許多變化因素，因此進行大跨度公路橋梁的整體優化設計具有較大難度。這種難度在具體設計中表現在優化函數的建立及多元化變量下最優解的計算等方面。大跨度公路橋梁設計的評價主要還是看整體設計成果，從當前的設計來看，設計中的整體動力性能、結構性能、景觀協調及施工可行性特點都是整體優化的目標。

2.3 上部結構優化

2.3.1 預制拼裝多梁式 T 梁結構

預制拼裝多梁式T梁在較大跨度公路橋梁設計中有廣泛應用，該結構同整體式箱梁相比，具有施工作業簡單易行且造價更低的優勢。因其下梁為開口斷面形式，所以平衡受力及抗扭能力都相對弱勢，但曲線梁中彎矩帶來的作用力會影響公路橋梁下部結構的平衡。因T梁橋是直梁設計的模式，能夠靠翼緣板的寬度進行平面的線性調整，所以在彎曲度相對小的曲線橋中T梁橋可以實現減輕彎扭作用的目標。在公路橋梁設計的工作實踐中，這個方法通常可以用來彌補曲線T梁施工及受力方面的問題。弧形橋的設計中，其直線部分的靜荷載與動荷載不平衡也會造成一定的位移曲線，但位移程度相較彎曲梁小一些。故而設計人員在大跨度公路橋梁設計實踐中可以通過側向鏈接提升公路橋梁結構的整體性能，并且最好采取懸臂注入箱式梁。在中等較大跨度的公路橋梁設計應用中，預制拼裝多梁T型梁的采用相對其他形式有較好的成本控制。

2.3.2 簡支空心板結構

大跨度公路橋梁設計中應當重點關注整體結構的設計，包括上層建筑類型模塊等。不同公路橋梁的設計需要根據項目環境考慮好經濟性、可行性及設計力學指標等。在我國當前的公路橋梁設計中，簡支空心板結構的公路橋梁施工技術應用廣泛，技術更為成熟，方案設計相對簡單，但這種橋型有著較高的梁高，故而跨徑不會很大，由于梁高同跨徑之間的比例問題難以實現美觀角度的要求，同時高墩數量較多也會導致橋面伸縮裂縫問題。簡支空心板結構橋型在地勢平緩且填土量較少的作業場地中應用。

2.4 下部結構優化

公路橋梁下部結構對整體公路橋梁有著重要支撐作用，設計人員對下部結構設計中要加強結構形式的優化，并嚴格依據勘測結果進行施工技術要點編制。在實際應用中，建設材料和建設工藝是影響橋墩使用效果的主要因素，同時直接關系到公路橋梁使用壽命。大跨度公路橋梁下部結構中多采用翻模技術，應設計好承載力及極限使用狀態等相關數值，加強其穩定性。相鄰橋墩會在相互之間的穩定性方面造成影響，故而下部結構設計要基于公路橋梁整體的分析對象，使得設計更為科學合理。

3 結語

大跨度公路橋梁是當前我國公路橋梁建設中的重要組成部分，設計人員應當不斷提高公路橋梁設計能力，發現和總結公路橋梁設計中存在的不足，在優化設計中提高公路橋梁設計質量，保證公路橋梁使用壽命。大跨度公路橋梁的設計要根據不同外部環境及設計指標要求確定科學化的設計方案，推動公路橋梁建設事業穩步推進。

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