大跨度橋梁設計要點及優化措施研究

黃吉滔

（中交公路規劃設計院有限公司,北京 100088）

0 引言

隨著我國公路交通行業的迅猛發展，跨江和跨海的大跨度橋梁逐漸增多，因此，對大跨度橋梁建設、設計及施工提出了新的挑戰。大跨度橋梁分為懸索橋、斜拉橋及拱橋等。在工程實踐中，由于大跨度橋梁具有跨徑大、受力性能好、經濟合理等特征，同時具備施工便捷、造型優美等優勢[1]，所以應用廣泛。大跨度的橋梁意味著更高標準的施工方法、強度更高的材料、更嚴格的結構計算。然而，大跨度橋梁工程規模大、技術難度大，橋梁如何合理選型、選擇跨徑等都會對大跨度橋梁建設產生深遠影響，這對橋梁設計提出了更高要求。因此，開展大跨度橋梁設計要點研究、探索設計優化措施勢在必行。因此，如何將大跨度橋梁更好地應用于工程中，是所有橋梁從業者的追求。該文將從大跨度橋梁的設計要點出發，分析不同類型大跨度橋梁的設計要點，并根據設計的不足，提出一些優化措施。

1 大跨度橋梁簡介

20 世紀80 年代，上海黃浦江大橋的建成，標志著我國自主建設特大跨徑橋梁進入新階段。90 年代，隨著國家經濟實力的提高，國家培養了大批量的橋梁設計人才，先后建成了楊浦大橋，主跨長602 m，廣東汕頭海灣大橋，主跨長452 m，江陰大橋，跨度長達千余米。這些均屬于大跨徑橋梁。大跨徑橋梁的特點是跨徑和橋寬都大，有足夠的承載能力，安全性能和穩定性有足夠的保障。大跨徑橋梁不僅承載性能高，而且體積龐大，具體表現為以下四個方面[2]：

（1）大跨徑橋梁體積相比一般橋梁大，無論是橋長還是橋寬，都能看出大跨徑橋梁的龐大。

（2）大跨徑橋梁的施工組織設計比一般橋梁復雜。施工不當，可能會導致大跨徑橋梁的結構存在安全隱患。因此大跨徑橋梁的施工要更加嚴密和精準，保障施工后的橋梁結構接近橋梁設計結構。

（3）在結構組織及規劃方面也較為復雜。從大跨度橋梁主體結構可以發現，很多橋梁都需要對該橋體過渡節點進行設計，并根據橋梁實際長度、寬度等進行元素融入。

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

2 工程概況

該文依托工程為某大跨度斜拉橋，橋梁全長為10.03 km，主航道橋為主跨1 176 m 的鋼桁梁斜拉橋，設計速度100 km/h；下層橋面上游側布置兩線城際鐵路，設計速度200 km/h；下層橋面下游側布置4 車道一級公路，過江段設計速度8 km/h。表1 為大跨度斜拉橋設計參數。

表1 大跨度斜拉橋設計參數

3 大跨度橋梁設計的設計要點

3.1 大跨度懸索橋的設計要點

懸索橋是一種主要承受拉力的構件，同樣也屬于柔性結構。懸索橋在施工完成前，只確定了主塔的設計高度和矢高控制點高程，其他的參數信息都是未知的。在整個施工中，纜線和吊桿的受拉都是一次性的，無法提前預知。纜線的線形受外界環境的影響較大，會根據溫度的不同，出現較大偏差，因此懸索橋的施工方法尤為重要，應嚴格掌控纜線的張拉，滿足橋梁結構的設計要求[3]。

懸索橋在施工前無法預知材料的張拉性能，因此需要提前模擬和計算。設計懸索橋的方法有兩種，解析法和數值仿真法。解析法相比數值仿真法用到的代碼較少、計算時間短、收斂快，在短時間內能得到計算結果，并且結果的誤差較小，多應用于懸索橋主纜計算分析。而解析法也有其缺陷，例如解析法的計算方式無法獲得主塔的內力和加勁梁的內力，需要重新計算這兩種內力，這樣一來會導致計算結果不準確。實際荷載作用與解析法計算的荷載作用有所出入。表2為解析法計算理論分類。

表2 解析法計算理論分類

解析法將橋梁簡化為線形，而數值仿真可以完整地還原橋梁本身的非線性，更加接近于實際情況。并且各種形狀的橋型都適用。數值仿真法建立的有限元模型可以將橋梁的三維實體還原，各個構件之間的相互作用和相互影響也可以考慮進去，因此利用數值仿真的方法實現了對懸索橋的三維分析。對橋面系的模擬是橋梁模型的重要部分，橋面系的梁式簡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。同樣數值仿真法也有其缺陷，數值仿真中的三維模型對構件的局部處理不夠精確，并且要不斷計算，直到計算結果收斂。整個過程要不斷做重復性的工作，而且計算時間較長，對計算機的要求較高。

圖1 雙主梁模型

3.2 大跨度斜拉橋的設計要點

斜拉橋屬于超靜定結構，設計復雜，變量較多，技術含量高。橋型的選擇和設計有著一定的難度。當道路線形面臨跨度較大的河流峽谷時，可優先采用斜拉橋。斜拉橋的優勢有以下幾點：

（1）跨越能力更強，對比圖2 連續梁橋和圖3 斜拉橋的內力圖，梁橋的拉索使彎矩分配更加均勻，沒有較大的彎矩產生。

圖2 連續梁橋恒載彎矩圖

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。

同樣斜拉橋也有其劣勢：

（1）計算復雜。斜拉橋設計計算中變量過多，要設計出最經濟合理的橋型難度較大。

（2）施工復雜。斜拉橋對施工的技術要求極高，需要嚴格按照標準施工。

（3）構件連接復雜。

斜拉橋結構復雜，主要構件如表3 所示。斜拉橋的設計靈活，設計師可以根據實際情況對其進行組合。

表3 斜拉橋主要構件及材料形式

3.3 大跨度拱橋的設計要點

傳統的橋梁形式大都以拱橋為主，并且大多數都為石拱橋。隨著時代的進步，現在的拱橋設計不再拘泥于實用功能，更多的是美觀性，加入一些現代化元素，使拱橋更具觀賞性。拱橋適合應用在跨徑較小的橋梁上，但拱橋上的拱肋可以調整，設計師在設計大跨徑拱橋時可以調整拱肋的大小來實現拱橋的大跨徑。表4 為大跨度拱橋分類形式。同時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行結合，增加橋梁的設計可能性，使橋梁結構的安全性能和經濟性達到更高的水平[4]。同時，從結構角度出發，拱橋的應用在某種程度上受到跨徑的限制。因此，當采用實體拱肋的結構形式時，需依據橋梁的實際情況，確定合適的鋼管形式。單管形式性能良好，一定程度上可以簡化施工流程，然而也存在抗彎性有限的缺點。多管形式一方面具備較好的抗彎性能，另一方面可以應用于大跨度橋梁中。綜上所述，在拱橋設計過程中，應結合橋梁實際情況，科學選型，進一步提高設計方案合理性。

表4 大跨度拱橋分類形式

4 大跨度橋梁設計優化措施

4.1 局部優化設計方法

第一，梁橋主要承受彎矩，因此需要加強梁的橫截面設計。無論是鋼梁還是混合梁都需要全面強化。我國在梁橋的材料選擇上，大多數選用鋼材，對混凝土和鋼材的結合較少，因此在以后的設計中可以加強鋼材和混凝土的混合使用，以此來提高梁橋的抗彎性能[5]。

第二，在大跨度橋梁建設中，多采用斜拉橋、懸索橋的結構形式。這兩種形式均使用橋梁拉索并結合堅固支撐。在不利自然因素和工程因素綜合作用下，橋梁拉索強度減小，橋梁承載力降低。因此，在對斜拉橋斜拉索和主纜動力優化過程中，設計人員應重視斜拉索在外界因素作用產生的震動等現象。

第三，為了提高橋梁承載力，增強橋梁安全穩定性，設計人員應對橋梁橋墩和基礎進行充分優化。對橋梁狀況充分了解后，在滿足上部荷載基礎上，反復論證基礎選型和橋墩尺寸，從而使大跨度橋梁具備較好的穩固性能和安全性能。

4.2 上部結構優化設計方法

在對上部結構進行設計時，不僅要嚴格按照施工規范要求操作，還需考慮施工的便捷性以及其他因素。在設計初期，在滿足橋梁承載力性能的前提下，通過優化上部結構最大限度上提升橋梁性能。比如，簡支空心板結構技術可以降低橋梁施工難度，提升橋梁建設質量。然而，采用該項技術建設過程中，容易出現橋梁高跨不協調的現象。因此，為了增強大跨度橋梁上下結構的連接程度，消除施工隱患，在設計中應合理設置伸縮縫，伸縮縫數值過大或過小都會影響車輛行駛體驗。同時，據調查研究表明，在橋梁建設施工過程中，適當優化懸索橋錨旋可以提升橋梁的整體性能，消除橋梁建設本身存在的安全隱患，對橋梁建設意義重大。在優化斜拉橋過程中容易出現位移以及受力不均勻的現象，為了避免這一問題，在優化時必須加大對橋梁工程非線性條件的考察力度。

4.3 墩臺塔吊結構優化設計

在現場施工中，一般采用塔吊設備進行翻模施工。在大跨度橋梁現場實際施工中，首先將施工平臺同模板固定，為了便于上層模板安裝和后續測量工作的正常進行，須拆卸下層模板。對整個施工過程而言，需要將模板與施工平臺看作單獨的個體。而大部分施工人員將施工平臺和模板看作整體，設計與施工不相匹配。綜上，采取墩臺塔吊翻模施工技術，一方面可以簡化施工工藝，另一方面可以提高墩臺外觀的美觀性，減少表面裂縫的出現，實現了模板與施工平臺的分離。

4.4 整體優化設計方法

大跨度橋梁結構復雜，存在較多變量，且屬于高次超靜定結構，在設計過程中無法做到準確判斷，在設計過程中應綜合考慮各種因素，對橋梁質量做出合理評判，同時評判過程應結合橋梁的各項參數及運營狀態。在當前大跨度橋梁建設過程中，采用整體優化設計方法存在一定難度，主要是受到建設環境、工程造價及施工技術等因素影響。因此，設計人員應結合國外的設計模式及設計理念，對照橋梁建設情況，引入功能評價、造價控制等指標，實現整體優化設計效果。

5 結論

隨著我國經濟社會的迅猛發展，大跨度橋梁建設必然朝著更大跨度方向發展，也必然面臨更嚴峻的技術問題。因此，在今后的大跨度橋梁建設中應重視設計的關鍵節點，從橋梁的各個結構層面對設計進行優化，從而使我國大跨度橋梁建設不斷取得新突破、新進展，為區域交通運輸發揮保障和先行引導作用。