公路桥梁中大跨度桥梁设计研究

骆兴荣 厉珏

摘 要：本文在对大跨度桥梁设计发展现状及设计理念分析的基础上，介绍了大跨度拱桥、悬索桥及斜拉桥的设计要点，以期能够为我国大跨度桥梁设计水平的提升提供依据。

关键词：公路桥梁;大跨度桥梁;设计

随着我国公路桥梁建设规模的不断扩大，对大跨度桥梁设计工作进行研究，有利于我国桥梁设计与建设水平的不断提升。尽管当前大跨度桥梁设计与建设理论不断完善，但受技术、人为、施工及材料等因素的影响，在桥梁设计中仍然存在诸多问题，这就需要设计人员在大跨度桥梁设计中，要抓住设计重点，对设计方案不断优化，设计出安全、美观、经济、舒适的大跨度桥梁。

1 大跨度桥梁设计理念

近年来，随着我国公路桥梁事业的快速发展，桥梁长度越来越长，大跨径桥梁在公路桥梁建设中应用越来越多，而在桥梁建造技术不断成熟的背景下，公路工程中可选用的大跨径桥梁结构类型也增多，如拱桥、悬索桥、斜拉桥、悬臂桁架桥等类型，如1998年建成的全世界最大悬索桥明石海大桥，主跨程度达到1 991 m，1999年建成的世界最大斜拉桥塔塔拉桥，主跨长度890 m，都成为桥梁建设史中的经典[1]。在进行桥梁工程设计中，整个设计过程是否桥梁结构的安全性、经济性、适用性不断优化的过程。传统桥梁设计中，多数依靠的是设计人员的工作经验、设计要求，在对典型桥梁工程参考的基础上，确定桥梁的刚度、强度及稳定性，受设计人员主观因素影响较大[2]。近年来，在桥梁结构设计中，结构优化理论提出与应用，为现代桥梁设计提供了目标。借助模型、数学算法等，对桥梁最佳结构系统能够有效进行构建，满足现代桥梁建设中稳定性、易操作性、美观性等需求。

2 大跨度公路桥梁设计要点

在大跨度桥梁设计中，不同跨径的桥梁可选择的桥梁类型也不同，如150 m～200 m跨径，可选择拱桥、矮塔斜拉桥、连续钢构桥等类型;200 m～500 m跨径，可选择拱桥、斜拉桥、梁式桥、悬索桥等类型;500 m～1 000 m跨径，可选择斜拉桥、悬索桥等类型;1 000 m～1 500 m跨径，可选择悬索桥、斜拉桥等类型。

2.1 大跨度拱桥设计

自我国公路桥梁开始大规模建设至今，多种桥梁类型不断出现，而在早期大跨度拱橋比较常见，但随着公路桥梁事业的快速发展，大跨度拱桥因其自身存在的不足，如在跨度较大的山谷、河流中，大跨度拱桥并不适用，逐渐被其它桥梁所取代[3]。现阶段，大跨度拱桥主要用于跨度不超过500 m的桥梁中，如在V字型山谷跨越、城市公路桥梁等施工中应用较多。

2.2 大跨度悬索桥设计

公路桥梁设计中，桥梁类型比较多样，悬索桥在公路桥梁设计中比较常见，适用于大跨度桥梁，随着桥梁建设技术水平的提升，悬索桥标志着我国桥梁建设水平的提升。在一些跨度较大的山区公路桥梁建设中，悬索桥的应用前景非常广阔。此类桥梁在结构设计方面具有自身的特殊性，桥塔设计水平对桥梁的整体承载能力会产生直接影响[4]。因此，在设计中，需结合工程实际情况，对悬索桥桥塔进行合理设计，通常设计两个桥塔，将悬索桥分为边跨、中跨两个部分。在进行桥塔设计中，重点是根据桥梁的整体长度对桥塔的位置准确、合理的设计，一般边跨与中跨的设计比例为1：2或1：4，桥梁垂直比为6：1或7：1，当然根据不同桥梁的不同特点，在悬索桥实际设计中，上述比例可适当进行调整。

2.3 大跨度斜拉索桥梁设计

大跨度斜拉桥同样也是当前公路桥梁建设中，应用比较普遍的一种桥梁结构，具有承载力高、稳定性强的特点，并且跨越能力较强，适用于跨度在200～800之间的河流、沟谷跨越桥梁建设中[5]。从大跨度斜拉桥结构组成部分来看，主要分为三部分，即主梁、斜拉索、索塔。主梁受力跨度相对较小，主要提供了弹性承载力;索塔是桥梁景观设计中的重点，通常设计为倒Y型或V型，具体根据桥梁景观呈现效果及施工实际情况来确定;斜拉索是桥梁设计中关键的部分，该结构的主要作用是将主梁荷载传递到索塔，由钢索、减震装置、锚具及保护措施等构件组成。三个组成部分共同构成大跨度斜拉索桥的整体，共同承担桥梁的荷载作用，在设计中对三个部分要合理进行组合，充分考虑桥梁跨越情况及承载需求。具体设计方法如下：

首先，主梁。作为大跨度斜拉索桥中的主要组成部分，承担着桥梁支撑与荷载传递的作用。现阶段，在进行大跨度斜拉索桥主梁设计中，主要采用主梁加劲梁的设计方法，包含混凝土梁、叠合量、混合梁及钢梁等类型。混凝土梁的应用范围更广，原因是桥梁采用混凝土材料制成，不管是刚度、承载力等都能满足桥梁建设要求，并且混凝土梁的建设成本相对较低，施工工艺也相对简单;叠合梁最大的优势是对桥梁结构的空间占用高度能有效减少;钢梁则是在主梁制作时以钢材料为原料，施工也比较简单，但成本相对较高。在主梁设计中，不同主梁结构的承载力、成本等都不同，各有优势与不足，所以需要根据不同主梁的施工技术、材料成本等因素综合考虑后优化选择，以确保所选主梁结构满足桥梁建设要求。

其次，拉索。拉索作为斜拉索桥梁中的支撑结构，以柔性结构使用为主。从斜拉索桥梁的实际使用情况来看，因拉索属于柔性结构，受外力因素的影响下，拉索会出现振动的情况。如在暴雨、大风等天气环境下，拉索之间会出现自激振动、耦合振动等现象，在连锁振动反应作用下，拉索锚固效果容易受到影响，导致拉索的使用寿命缩短，甚至可能引起桥梁在使用过程中的安全性问题。所以，对拉索进行优化设计是大跨度斜拉索桥梁设计中的重点，尤其是拉索的动力设计工作需要加以重视。

第三，索力。对于大跨度斜拉桥梁而言，其收缩徐变量、非线性条件等，都处于变化的状态，不管是斜拉索力，还是立模标高等因素，都会使桥梁的线性受到影响，所以合理确定索力是大跨度斜拉桥设计中的重点，目的是提升桥梁结构的稳定性与安全性。现阶段，在进行桥梁索力设计中，主要通过对支撑连续梁、零位移等调节的方法进行优化;对约束索力设计中，以索力最小的原则为依据进行设计;如索力无约束时，在设计中为达到设计目标，需保证弯矩最小;对影响矩阵方法进行应用时，对不同加权条件下进行计算并对结果进行优化，借助不同的目标函数获得的结果，能准确评价桥梁结构是否合理，以此作为索力调整的依据。

最后，索塔。对塔高进行合理确定是索塔设计中的重点，实际设计中要按照施工条件、工程要求等因素进行确定。一般情况下，大跨度桥梁对索塔的高度要求不宜过高，否则不管是施工难度还是施工造价都会提升。但同时索塔的高度也不能过低，避免拉索受力、索塔工作效率受到影响。

3 结语

随着公路桥梁事业的发展，桥梁设计作为重点组成部分，对桥梁结构的整体施工质量及公路桥梁事业的发展都有直接影响。本文主要对当前大跨度悬索桥、大跨度拱桥及大跨度斜拉桥等常用大跨度桥梁设计中的要点进行分析，以促使我国大跨度桥梁设计水平的不断提升。

参考文献：

[1]董昆杰.大跨度桥梁设计的设计要点与优化策略[J].交通世界，2019（6）：74-75.

[2]周忠丰，吕成利.BIM技术在大跨径梁桥梁设计中的应用研究[J].工程建设与设计，2019（11）：206-207+210.

[3]豆飞.大跨度连续钢箱拱桥结构设计与分析[J].中国标准化，2019（2）：48-49.

[4]李力.关于桥梁美学设计的认识与探究[J].西部皮革，

2019（12）：47.

[5]王日照.复杂条件下大跨度系杆拱桥现浇及拼装支架设计[J].价值工程，2019，38（13）：105-108.