大跨度橋梁設(shè)計要點及優(yōu)化措施初探

王超然

（長春市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司， 吉林 長春 130000）

在公路橋梁設(shè)計過程中，研究安全性和耐久性是很重要的工作。公路橋梁質(zhì)量與公民出行的安全性和便利性息息相關(guān)；安全性和耐久性能影響交通事故發(fā)生的概率。為確保在設(shè)計過程中公路橋梁的安全性和耐久性，首先需要有較高設(shè)計水準和素養(yǎng)的人員，其次需要不斷學習理論知識和積累豐富的實踐經(jīng)驗，最大限度確保方案的合理性、科學性和可行性。

1 大跨度橋梁設(shè)計特點

地勢和地形的復雜程度會影響橋梁建設(shè)質(zhì)量，同時在后續(xù)施工過程中也會對建設(shè)進度等方面產(chǎn)生影響。此外，由于個別地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，在橋梁建設(shè)施工過程中，橋梁景觀和工程地周邊的自然景觀如何恰當?shù)厝诤鲜切枰浞挚紤]的。復雜多樣的地質(zhì)條件，地區(qū)巖石風化程度，是否出現(xiàn)陡崖、滑坡和泥石流等問題，都是設(shè)計人員在橋梁設(shè)計過程中需要充分考慮的客觀條件，在設(shè)計標準化橋梁時，需要考慮客觀不利條件所帶來的影響。

2 大跨度橋梁的抗震特點分析

國內(nèi)有很多地區(qū)在地震帶上，眾所周知，地震對交通基礎(chǔ)設(shè)施的破壞力是很強的，特別是對公路橋梁設(shè)施，在造成交通癱瘓的同時往往會帶來較大經(jīng)濟損失。大跨度橋梁的抗震特性主要在以下幾方面：（1）大跨度橋梁的抗震性能設(shè)計中，概念設(shè)計的影響較大。（2）延展性是橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身特性，也是大跨度橋梁的抗震特性之一，在遇到地震災害時，延展性能夠有效緩解地震對公路橋梁設(shè)施的沖擊。（3）橋梁自身的減震隔震特點。

3 大跨度橋梁設(shè)計優(yōu)化措施

3.1 充分勘察調(diào)研，完善設(shè)計方案

勘察調(diào)研工作是公路橋梁設(shè)計人員在設(shè)計過程中的重要工作，需要對材料、結(jié)構(gòu)特性、承載能力等方面進行分析。（1）關(guān)于結(jié)構(gòu)選材。設(shè)計人員通過對施工現(xiàn)場的勘察調(diào)研，綜合考慮地質(zhì)條件、地形和氣候等因素后，選擇合適的結(jié)構(gòu)與施工材料，選材過程要有較高的科學嚴謹性。（2）關(guān)于疲勞損傷。在完成了設(shè)計方案的初版后，設(shè)計人員需要通過仿真技術(shù)對設(shè)計方案進行模擬，這樣能夠客觀地了解到公路橋梁在投運后的疲勞損傷情況。（3）遠景年交通通過量的計算也是公路橋梁設(shè)計過程中需要特別注意的地方，只有這樣才能充分確保公路橋梁的各項性能指標符合實際需要。

3.2 拓撲優(yōu)化

在對大跨度橋梁實施優(yōu)化設(shè)計的過程中，按照設(shè)計變量具體類型，分為以下幾個層次:其一，尺寸優(yōu)化;其二，形狀優(yōu)化;其三，拓撲優(yōu)化。在進入到新世紀以后，橋梁優(yōu)化方面的研究重點逐漸從過去的尺寸轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤钆c拓撲。對于拓撲優(yōu)化，現(xiàn)階段主要有以下四種方法:其一，離散化連續(xù)體優(yōu)化準則法;其二，遺傳算法;其三，均勻化方法;其四，漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在這四種方法中，以第四種最為常用，這項技術(shù)的主要優(yōu)勢為概念相對簡單，有較高的計算效率。

3.3 了解結(jié)構(gòu)震害，優(yōu)化抗震設(shè)計

橋梁墩柱、上部結(jié)構(gòu)、附屬工程等結(jié)構(gòu)在遇到地震災害后容易受到損害。橋梁墩柱在橋梁承重構(gòu)件中很重要，如果地震對橋梁墩柱的結(jié)構(gòu)破壞較大，就會對墩柱結(jié)構(gòu)的承載力和強度產(chǎn)生嚴重影響。結(jié)構(gòu)震害和移位震害是上部結(jié)構(gòu)震害的重要表現(xiàn)。橋梁結(jié)構(gòu)受力比較脆弱的地方主要體現(xiàn)在橋臺連接處、主梁和下部墩柱，這些地方極易受到地震影響。

在橋梁底部加焊鋼板，同時采用縱橫約束裝置來限制梁部位移，能夠優(yōu)化公路橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。梁端至墩臺帽或蓋梁邊緣距離需符合相關(guān)規(guī)范的移位限制要求。如果橋梁跨度較大，為減少橋梁伸縮縫，可以使用連續(xù)梁。

3.4 以可靠性理論為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計

在當前的優(yōu)化理論當中，不論是局部優(yōu)化還是整體優(yōu)化，均以容許應力設(shè)計為基礎(chǔ)。伴隨現(xiàn)代設(shè)計理論持續(xù)更新和發(fā)展，在過去占據(jù)主導地位的容許應力設(shè)計勢必要向更高層次的方向轉(zhuǎn)變，如半概率、近似概率和全概率等，這在很大程度上促進了以可靠性理論為基礎(chǔ)的橋梁優(yōu)化。在實際的設(shè)計工作中，為確保實用性，需結(jié)合具體情況選擇適宜的優(yōu)化模型和求解方式，當然這需要通過大量的研究和實踐來積累。

3.5 超載設(shè)計

有效提升公路橋梁的耐久性可以通過克服公路橋梁超載問題來實現(xiàn)。如果超負荷使用公路橋梁的時間過長，疲勞受損就會發(fā)生，并且對公路橋梁的不利影響會越來越嚴重，最終導致基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)真實損傷。在公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施中，由于超載因素帶來的結(jié)構(gòu)裂縫，對公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性造成了一定程度的影響。因此，公路橋梁的超載設(shè)計需要綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和實際交通狀況，通過科學嚴謹?shù)膬?yōu)化設(shè)計，最大限度對耐久性進行提升。

3.6 整體優(yōu)化

絕大多數(shù)大跨度橋梁均屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對復雜，關(guān)系到很多變量，而且設(shè)計時要考慮很多方面的內(nèi)容。基于此，整體優(yōu)化或全過程優(yōu)化往往十分困難，這主要體現(xiàn)在以下兩個方面:其一，目標函數(shù)建立;其二，根據(jù)目標函數(shù)確定最優(yōu)解。在這種情況下，現(xiàn)階段有關(guān)大跨度橋梁方面的整體優(yōu)化設(shè)計研究成果還相對較少，但隨著橋梁建設(shè)速度逐步加快，以及相關(guān)理論和方法的不斷完善，對大跨度橋梁開展整體優(yōu)化設(shè)計將成為主流趨勢。

3.7 疲勞損傷設(shè)計

一般情況下，早期的疲勞損傷在公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施工程中很難被發(fā)現(xiàn)，之后又歷經(jīng)較長時間的應力作用，疲勞損傷擴大了其所引發(fā)的負面影響，最終導致公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。綜上考慮，從鋼結(jié)構(gòu)著手來進行公路橋梁的抗疲勞損傷設(shè)計非常重要，同時還需要全面重點分析可能引發(fā)疲勞損傷的結(jié)構(gòu)位置。在此基礎(chǔ)上，還應該積極進行相應的優(yōu)化設(shè)計，力爭將疲勞損傷控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，我國大跨度橋梁的數(shù)量必然隨著通行要求的提高不斷增多，在大跨度橋梁設(shè)計中，一方面要明確各項設(shè)計要點，另一方面則要采用適當?shù)拇胧┳龊脙?yōu)化設(shè)計，以保證大跨度橋梁設(shè)計質(zhì)量，為以后的橋梁施工及運營奠定良好基礎(chǔ)。