公路桥梁中大跨度桥梁设计研究

2020-03-06隋春来

工程建设与设计 2020年9期

隋春来

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，广东深圳518034）

1 引言

我国国土幅员辽阔，遍布着大量地理结构复杂的区域，很多地方都需建设大跨度的公路桥梁来满足我国经济、社会发展的主、客观需要。因此，大跨度公路桥梁的设计工作受到了越来越多的重视。要想促进大跨度公路桥梁的发展，必须提升其稳定性和耐久性，这就对大跨度公路桥梁的设计提出了更高的要求，需要展开进一步的研究工作，优化设计结构，提升大跨度公路桥梁的整体建设质量。

2 大跨度公路桥梁的设计要点

大跨度公路桥梁在当今实际工程中使用最多的有3 种，即大跨度斜拦桥梁、大跨度悬索桥梁和大跨度拱形桥梁。分别阐释如上。

2.1 大跨度斜拉桥梁设计

大跨度斜拉桥梁多采用200～800m 跨度，具有良好的结构稳定性及跨越能力，多用于跨越水面较宽的江、海、峡谷等。大跨度斜拉桥梁主要由主梁、索塔、斜拉索3 部分构成。桥梁设计过程中，为避免部分特殊地质条件对桥梁结构的不利影响，需要结合勘察资料及实际的建设条件，通过对桥梁跨径、结构体系、锚拉体系等设计要素进行组合，以达到采用不同的斜拉桥型来满足不同的景观及使用需求。

在大跨度斜拉桥梁设计过程中需对桥梁索面设计予以足够的重视。根据桥梁的受力体系特点有针对性地选择索面类型。现阶段已建成的大跨度斜拉桥梁中，双斜索面、平行索面是较为常见的承载索面【1】。

2.2 大跨度悬索桥梁设计

大跨度悬索桥梁多应用于高差起伏较大，距离较远的山林谷地，桥梁跨径不大于2 000m。桥梁主要包括索塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇等结构。根据悬索桥结构受力特点，桥梁设计时多将索塔设于被跨越的山谷两侧高地作为悬索桥的主要承力结构，通过加劲梁、吊索、主缆、索塔层层传力，以达到大跨度跨越的设计目的。悬索桥多采用3 跨结构，以索塔作为边跨与中跨的分界。为保证悬索桥的强度，索塔塔身的混凝土强度等级不宜低于C40，钢索塔、钢加劲梁宜采用牌号Q345、Q390 的钢材。

2.3 大跨度拱形桥梁设计

大跨度拱形桥梁是在传统拱桥的基础上发展而来的。设计人员在传统拱桥基础上加入现代设计元素，引入各类新技术、新工艺、新材料，最终设计完善成为大跨度拱形桥梁。其相较于传统拱桥优势较为显著，在施工工期显著缩短、承载能力成倍增长、所用的材料成本相对较低的同时，大跨度拱形桥梁的跨度、稳定性、可靠性显著提升【2】。

在浅层地质条件较好的山地、峡谷，公路大跨度拱形桥梁属于首选类型。根据拱形桥的结构承载形式，现阶段公路大跨度拱形桥梁较为常见的有上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥。根据拱形桥的筑造材料，现阶段公路大跨度拱形桥梁较为常见的有钢筋混凝土拱桥、钢桁架拱桥和钢管混凝土结合拱桥，其中尤以钢管混凝土结合拱桥最为常见。

3 改善大跨度公路桥梁设计水平的优化措施

3.1 大跨度公路桥梁整体设计优化

大跨度公路桥梁跨越的往往都是高山丘壑，桥梁设计的安全性尤为重要。因此，无论从结构承载力方面，还是从结构耐久性方面，都导致了几乎所有类型的大跨度公路桥梁结构都异常复杂，这就造成在大跨度公路桥梁建设过程中，其设计难度和复杂性居高不下。而受限于复杂的地理结构，及大跨度公路桥梁多为高次超静定结构的特点，桥梁在模拟计算过程中会受到很多环境地质因素、建筑材料因素、气候水文因素等复杂因素的影响。这些因素在桥梁施工期间同样会对大跨度公路桥梁的施工带来难度上的提升。

因此，如何能够在采取有效措施保证桥梁结构安全、耐久的前提下，对大跨度公路桥梁整体设计进行优化，降低桥梁的施工难度，合理控制建设难度和施工成本，是大跨度公路桥梁整体设计需要优化的主要方向。

3.2 大跨度公路桥梁局部设计优化

随着桥梁设计技术及筑桥材料性能的日益提高，越来越多的新技术、新工艺、新材料不断投入使用，有效地弥补了原有桥梁体系中的短板，提升了桥梁的承载能力和使用寿命。大跨度桥梁的局部优化就是有针对性地对桥梁的受力构件、易损构件进行结构及强度优化，在提升桥梁结构安全度和耐久度的同时，增加桥梁的跨越能力，降低了桥梁的工程造价。

现阶段，我国钢材产能大大提升，钢材价格不断降低，使得钢材作为一种重量更轻、抗拉强度更好的结构材料，越来越多地被应用在了桥梁结构设计之中。通过将原本桥梁结构中自重大、跨越能力弱的钢筋混凝土结构替换为钢结构梁体或钢混叠合梁体，大大降低了梁体的自重，在梁高高度降低的同时，大幅度提高了桥梁的整体跨度。公路大跨度斜拉桥和悬索桥的加劲梁结构优化就是基于此项方式进行的。

而对桥梁跨径比、垂直比、矢跨比等的深入研究，对桥梁自振频率和结构共振理论的不断探索、多种阻尼材料的研制和应用，也不断为公路大跨度桥梁的跨度加大、强度增强、耐久度及安全性提升提供了坚实的理论依据和技术支持。

3.3 大跨度公路桥梁上部结构设计优化

大跨度公路桥梁从立项、投资、设计、施工的全过程涉及各项因素，是一个复杂、系统的工程。对于大跨度公路桥梁上部结构来说，其设计优化是整个大跨度公路桥梁建设改良的重要部分。设计人员需要考虑大跨度公路桥梁在施工过程中存在的技术局限性，掌握大跨度公路桥梁的最大承载能力，合理控制工程的建设成本。对于部分较为复杂的地形、地貌区域，大跨度公路桥梁应根据自身跨度、转弯半径、梁底净空等因素综合考量，选取适合的梁体结构。如空心板高跨比大，跨径小，适用于地形相对平缓、跨度相对较小路段；T 梁为开口断面，抗弯性能相对较差，适用于地形相对陡峭、跨度中等、路线较为平直的路段；等截面箱梁抗弯性能好，适用于跨度中等的平直路段及转弯半径较小的路段；变截面悬臂梁跨径较大，结构抗弯能力强，适用于跨度较大、转弯半径较小的路段等。

桥梁上部结构的选择应充分利用和发挥所选结构的受力特点，利用不同梁体的特点，合理选择桥梁的上部结构，确保大跨度公路桥梁自身结构特性及其性能可以充分发挥，保证大跨度公路桥梁最终建设效果【3】。

3.4 大跨度公路桥梁下部结构设计优化

对于大跨度公路桥梁的桥墩、桩基，其布设位置和数量变化都会对桥梁的稳定性产生影响。为提高大跨度公路桥梁稳定性，必须对桥墩和桩基进行优化。桥墩设计过程中，应根据上部结构的宽度合理选择桥墩布设宽度，桥墩宜采用多墩结构，增加桥梁的抗倾覆能力。同时，桥墩设计过程中需注意把握结构刚度，合理分配同一联的墩顶力，充分发挥每根桥墩的作用。桥梁桩基布置应结合桥墩布置方式对应设置，同一桥墩下桩基长度及持力层应尽量保持一致，并结合地勘资料进行桩基验算。