大跨度桥梁设计要点及优化措施研究

2022-07-20黄吉滔

交通科技与管理 2022年14期

黄吉滔

（中交公路规划设计院有限公司,北京 100088）

0 引言

随着我国公路交通行业的迅猛发展，跨江和跨海的大跨度桥梁逐渐增多，因此，对大跨度桥梁建设、设计及施工提出了新的挑战。大跨度桥梁分为悬索桥、斜拉桥及拱桥等。在工程实践中，由于大跨度桥梁具有跨径大、受力性能好、经济合理等特征，同时具备施工便捷、造型优美等优势[1]，所以应用广泛。大跨度的桥梁意味着更高标准的施工方法、强度更高的材料、更严格的结构计算。然而，大跨度桥梁工程规模大、技术难度大，桥梁如何合理选型、选择跨径等都会对大跨度桥梁建设产生深远影响，这对桥梁设计提出了更高要求。因此，开展大跨度桥梁设计要点研究、探索设计优化措施势在必行。因此，如何将大跨度桥梁更好地应用于工程中，是所有桥梁从业者的追求。该文将从大跨度桥梁的设计要点出发，分析不同类型大跨度桥梁的设计要点，并根据设计的不足，提出一些优化措施。

1 大跨度桥梁简介

20 世纪80 年代，上海黄浦江大桥的建成，标志着我国自主建设特大跨径桥梁进入新阶段。90 年代，随着国家经济实力的提高，国家培养了大批量的桥梁设计人才，先后建成了杨浦大桥，主跨长602 m，广东汕头海湾大桥，主跨长452 m，江阴大桥，跨度长达千余米。这些均属于大跨径桥梁。大跨径桥梁的特点是跨径和桥宽都大，有足够的承载能力，安全性能和稳定性有足够的保障。大跨径桥梁不仅承载性能高，而且体积庞大，具体表现为以下四个方面[2]：

（1）大跨径桥梁体积相比一般桥梁大，无论是桥长还是桥宽，都能看出大跨径桥梁的庞大。

（2）大跨径桥梁的施工组织设计比一般桥梁复杂。施工不当，可能会导致大跨径桥梁的结构存在安全隐患。因此大跨径桥梁的施工要更加严密和精准，保障施工后的桥梁结构接近桥梁设计结构。

（3）在结构组织及规划方面也较为复杂。从大跨度桥梁主体结构可以发现，很多桥梁都需要对该桥体过渡节点进行设计，并根据桥梁实际长度、宽度等进行元素融入。

（4）大跨径的桥梁结构，梁中所受弯矩更大。要保证大跨径桥梁的结构受力与一般桥梁类似，必须加强承载力的设计，保证车辆能够正常通行。因此，对桥梁的结构和本身的材料都提出了更高的要求，需要有更大的强度和更小的自重来满足要求。

2 工程概况

该文依托工程为某大跨度斜拉桥，桥梁全长为10.03 km，主航道桥为主跨1 176 m 的钢桁梁斜拉桥，设计速度100 km/h；下层桥面上游侧布置两线城际铁路，设计速度200 km/h；下层桥面下游侧布置4 车道一级公路，过江段设计速度8 km/h。表1 为大跨度斜拉桥设计参数。

表1 大跨度斜拉桥设计参数

3 大跨度桥梁设计的设计要点

3.1 大跨度悬索桥的设计要点

悬索桥是一种主要承受拉力的构件，同样也属于柔性结构。悬索桥在施工完成前，只确定了主塔的设计高度和矢高控制点高程，其他的参数信息都是未知的。在整个施工中，缆线和吊杆的受拉都是一次性的，无法提前预知。缆线的线形受外界环境的影响较大，会根据温度的不同，出现较大偏差，因此悬索桥的施工方法尤为重要，应严格掌控缆线的张拉，满足桥梁结构的设计要求[3]。

悬索桥在施工前无法预知材料的张拉性能，因此需要提前模拟和计算。设计悬索桥的方法有两种，解析法和数值仿真法。解析法相比数值仿真法用到的代码较少、计算时间短、收敛快，在短时间内能得到计算结果，并且结果的误差较小，多应用于悬索桥主缆计算分析。而解析法也有其缺陷，例如解析法的计算方式无法获得主塔的内力和加劲梁的内力，需要重新计算这两种内力，这样一来会导致计算结果不准确。实际荷载作用与解析法计算的荷载作用有所出入。表2为解析法计算理论分类。

表2 解析法计算理论分类

解析法将桥梁简化为线形，而数值仿真可以完整地还原桥梁本身的非线性，更加接近于实际情况。并且各种形状的桥型都适用。数值仿真法建立的有限元模型可以将桥梁的三维实体还原，各个构件之间的相互作用和相互影响也可以考虑进去，因此利用数值仿真的方法实现了对悬索桥的三维分析。对桥面系的模拟是桥梁模型的重要部分，桥面系的梁式简化模型主要有单主梁模型、双主梁模型和三主梁模型，图1 为双主梁模型。同样数值仿真法也有其缺陷，数值仿真中的三维模型对构件的局部处理不够精确，并且要不断计算，直到计算结果收敛。整个过程要不断做重复性的工作，而且计算时间较长，对计算机的要求较高。

图1 双主梁模型

3.2 大跨度斜拉桥的设计要点

斜拉桥属于超静定结构，设计复杂，变量较多，技术含量高。桥型的选择和设计有着一定的难度。当道路线形面临跨度较大的河流峡谷时，可优先采用斜拉桥。斜拉桥的优势有以下几点：

（1）跨越能力更强，对比图2 连续梁桥和图3 斜拉桥的内力图，梁桥的拉索使弯矩分配更加均匀，没有较大的弯矩产生。

图2 连续梁桥恒载弯矩图

图3 斜拉桥恒载弯矩图

（2）建筑小巧，桥下有足够的空间。

（3）造型美观，可塑性强。

同样斜拉桥也有其劣势：

（1）计算复杂。斜拉桥设计计算中变量过多，要设计出最经济合理的桥型难度较大。

（2）施工复杂。斜拉桥对施工的技术要求极高，需要严格按照标准施工。

（3）构件连接复杂。

斜拉桥结构复杂，主要构件如表3 所示。斜拉桥的设计灵活，设计师可以根据实际情况对其进行组合。

表3 斜拉桥主要构件及材料形式

3.3 大跨度拱桥的设计要点

传统的桥梁形式大都以拱桥为主，并且大多数都为石拱桥。随着时代的进步，现在的拱桥设计不再拘泥于实用功能，更多的是美观性，加入一些现代化元素，使拱桥更具观赏性。拱桥适合应用在跨径较小的桥梁上，但拱桥上的拱肋可以调整，设计师在设计大跨径拱桥时可以调整拱肋的大小来实现拱桥的大跨径。表4 为大跨度拱桥分类形式。同时采用新型的建筑材料，例如钢筋和混凝土。拱桥可以与其他形式的桥梁进行结合，增加桥梁的设计可能性，使桥梁结构的安全性能和经济性达到更高的水平[4]。同时，从结构角度出发，拱桥的应用在某种程度上受到跨径的限制。因此，当采用实体拱肋的结构形式时，需依据桥梁的实际情况，确定合适的钢管形式。单管形式性能良好，一定程度上可以简化施工流程，然而也存在抗弯性有限的缺点。多管形式一方面具备较好的抗弯性能，另一方面可以应用于大跨度桥梁中。综上所述，在拱桥设计过程中，应结合桥梁实际情况，科学选型，进一步提高设计方案合理性。

表4 大跨度拱桥分类形式

4 大跨度桥梁设计优化措施

4.1 局部优化设计方法

第一，梁桥主要承受弯矩，因此需要加强梁的横截面设计。无论是钢梁还是混合梁都需要全面强化。我国在梁桥的材料选择上，大多数选用钢材，对混凝土和钢材的结合较少，因此在以后的设计中可以加强钢材和混凝土的混合使用，以此来提高梁桥的抗弯性能[5]。

第二，在大跨度桥梁建设中，多采用斜拉桥、悬索桥的结构形式。这两种形式均使用桥梁拉索并结合坚固支撑。在不利自然因素和工程因素综合作用下，桥梁拉索强度减小，桥梁承载力降低。因此，在对斜拉桥斜拉索和主缆动力优化过程中，设计人员应重视斜拉索在外界因素作用产生的震动等现象。

第三，为了提高桥梁承载力，增强桥梁安全稳定性，设计人员应对桥梁桥墩和基础进行充分优化。对桥梁状况充分了解后，在满足上部荷载基础上，反复论证基础选型和桥墩尺寸，从而使大跨度桥梁具备较好的稳固性能和安全性能。

4.2 上部结构优化设计方法

在对上部结构进行设计时，不仅要严格按照施工规范要求操作，还需考虑施工的便捷性以及其他因素。在设计初期，在满足桥梁承载力性能的前提下，通过优化上部结构最大限度上提升桥梁性能。比如，简支空心板结构技术可以降低桥梁施工难度，提升桥梁建设质量。然而，采用该项技术建设过程中，容易出现桥梁高跨不协调的现象。因此，为了增强大跨度桥梁上下结构的连接程度，消除施工隐患，在设计中应合理设置伸缩缝，伸缩缝数值过大或过小都会影响车辆行驶体验。同时，据调查研究表明，在桥梁建设施工过程中，适当优化悬索桥锚旋可以提升桥梁的整体性能，消除桥梁建设本身存在的安全隐患，对桥梁建设意义重大。在优化斜拉桥过程中容易出现位移以及受力不均匀的现象，为了避免这一问题，在优化时必须加大对桥梁工程非线性条件的考察力度。

4.3 墩台塔吊结构优化设计

在现场施工中，一般采用塔吊设备进行翻模施工。在大跨度桥梁现场实际施工中，首先将施工平台同模板固定，为了便于上层模板安装和后续测量工作的正常进行，须拆卸下层模板。对整个施工过程而言，需要将模板与施工平台看作单独的个体。而大部分施工人员将施工平台和模板看作整体，设计与施工不相匹配。综上，采取墩台塔吊翻模施工技术，一方面可以简化施工工艺，另一方面可以提高墩台外观的美观性，减少表面裂缝的出现，实现了模板与施工平台的分离。

4.4 整体优化设计方法

大跨度桥梁结构复杂，存在较多变量，且属于高次超静定结构，在设计过程中无法做到准确判断，在设计过程中应综合考虑各种因素，对桥梁质量做出合理评判，同时评判过程应结合桥梁的各项参数及运营状态。在当前大跨度桥梁建设过程中，采用整体优化设计方法存在一定难度，主要是受到建设环境、工程造价及施工技术等因素影响。因此，设计人员应结合国外的设计模式及设计理念，对照桥梁建设情况，引入功能评价、造价控制等指标，实现整体优化设计效果。