跨越大跨度桥梁的结构设计及施工技术研究

莫嘉俊

广东华南建筑设计研究院有限公司 广东 广州 510030

1 引言

在现代社会中，桥梁不仅是城市交通的基础设施，也是连接不同地区、推动经济发展的关键纽带。大跨度桥梁作为桥梁建设的重要组成部分，在连接远距离、跨越深谷、贯穿水域等方面发挥着至关重要的作用。与传统桥梁相比，大跨度桥梁的设计要求更高、施工难度更大，因此需要充分考虑结构设计及施工技术等问题。

本文将对大跨度桥梁的结构设计及施工技术进行研究和探讨，以期为大跨度桥梁的建设提供参考和指导。同时，本文也将展望未来大跨度桥梁的发展趋势，以期为桥梁建设提供新的思路和方法。

2 大跨度桥梁结构设计

2.1 常见的大跨度桥梁结构形式

大跨度桥梁是指跨度大于200米的桥梁，由于其跨度大、设计要求高、施工难度大等特点，需要充分考虑结构设计及施工技术等问题。常见的大跨度桥梁结构形式包括悬索桥、斜拉桥和钢—混凝土组合桥梁等。这些结构形式各有不同的受力特点，应根据具体情况选择合适的结构形式。

悬索桥是一种悬挂在主塔上的主缆支撑桥面的桥梁，具有跨度大、设计美观、施工周期短等优点。对于大跨度悬索桥来说，传统的主缆线形计算理论具有很大的误差。因为在桥梁全跨内的恒载并非均匀分布，而且随着跨度的增加这种不均匀性将更加明显。为了悬索桥高精度的设计、施工和架设以及为建造更大跨度的悬索桥准备条件，有必要考虑沿弧长均布的主缆自重和由吊索所传递的集中荷载等实际情况，精确计算悬索桥的主缆线形[1]。

斜拉桥是一种由主塔和斜拉索支撑桥面的桥梁，具有跨度大、承载能力高、结构轻巧等优点。对于斜拉桥来说，在恒载状态时，斜拉索可以看成是一种主动受力构件，可以通过设计斜拉索的索力来调整或改变结构的内力状态。斜拉桥成桥恒载内力分布的合理与否是衡量设计优劣的重要标准之一。主要有刚性支承连续梁法、零位移法、弯曲能量最小法和用索量最小法等设计方法。

钢—混凝土组合桥梁是工程中常用的组合结构，像型钢混凝土结构、预弯组合梁结构和波形钢腹板预应力混凝土梁等。在大跨度桥梁中，为加快施工速度和减轻结构自重，采用组合结构具有较大的优势。为便于计算，一般要将其换算为一种材料的等效截面。与钢筋混凝土结构相反，组合梁结构中的换算截面一般是将全截面换算为钢截面来计算。剪力键的形式及构造、温度应力的分析、收缩徐变影响的分析等都是设计的关键要点[2]。

2.2 大跨度桥梁结构设计中的主要问题

大跨度桥梁结构设计中的主要问题包括承载能力、自振频率、施工难度、使用寿命、维护和修复等。在设计过程中，应根据实际情况充分考虑这些问题，并通过合理的结构设计和分析方法进行处理。以下是这些问题的具体介绍：

2.2.1 承载能力

承载能力是大跨度桥梁结构设计中的重要问题。在设计过程中，需要确定桥梁的设计荷载和荷载组合，进行静力计算和动力计算，以确保桥梁在使用过程中的安全性和稳定性。同时，还需要考虑桥梁的自重和外部因素对承载能力的影响，以确定桥梁的结构形式和尺寸。

为了确保桥梁的承载能力，设计人员应对桥梁的荷载进行全面的分析和计算，包括静态荷载、动态荷载和临时荷载等。静态荷载主要来自于桥梁自身重量、行车荷载等常规荷载，动态荷载主要来自于风荷载、地震荷载等不稳定的外部荷载，而临时荷载则包括桥面上的施工荷载等。针对不同的荷载类型，设计人员需要根据实际情况选择合适的计算方法，以确保桥梁在使用过程中的稳定性和安全性。

2.2.2 自振频率

自振频率是大跨度桥梁结构设计中的重要参数。在设计过程中，需要根据桥梁的跨度、结构形式和荷载等因素，确定桥梁的自振频率，以避免自然风荷载和地震荷载等外部因素对桥梁的影响。同时，还需要采取适当的措施，如增加桥面刚度、加装防振器等，以减小桥梁的振动。

为了确定桥梁的自振频率，设计人员需要进行桥梁的动态计算和振动测试。动态计算主要是通过有限元分析等方法进行的，可以计算桥梁的固有频率、振动模态等参数，从而确定桥梁的自振频率。振动测试则是通过安装振动传感器等设备进行的，可以实时监测桥梁的振动状态，从而验证设计计算的准确性。设计人员还需要考虑桥梁的稳定性和刚度，以确保桥梁的振动不会超出设计范围。

2.2.3 施工难度

施工难度是大跨度桥梁结构设计中的一个重要问题。在设计过程中，需要考虑桥梁的结构形式、施工场地、材料、设备等因素，确定合理的施工方案和施工工艺，以确保施工的安全性和质量。同时，还需要考虑施工期间的交通管制、环保等问题，以保证施工过程的协调性和可持续性。

为了解决大跨度桥梁的施工难度问题，设计人员需要在设计阶段充分考虑施工工艺和施工过程中的安全和质量问题。例如，针对斜拉桥这种结构形式，设计人员需要考虑斜拉索的张力调节和施工顺序等问题，采取合理的施工方案，确保施工过程的顺利进行。

2.2.4 使用寿命、维护和修复

使用寿命、维护和修复是大跨度桥梁结构设计中的重要问题。在设计过程中，需要考虑桥梁的使用寿命、维护和修复等因素，以确保桥梁在使用过程中的安全性和经济性。同时，还需要采用适当的材料和防腐措施，定期进行检测和维护，以延长桥梁的使用寿命并保证桥梁的安全性。

为了确保桥梁的使用寿命，设计人员需要考虑桥梁的材料、防腐措施和检测维护等因素。例如，在钢箱梁桥的设计中，设计人员需要考虑钢箱梁的耐久性和防腐性，采取适当的防腐措施，以延长桥梁的使用寿命。同时，在使用过程中，需要定期进行检测和维护，及时发现并修复桥梁的问题，以确保桥梁的安全性和经济性[3]。

2.2.5 外部因素的影响

外部因素的影响是大跨度桥梁结构设计中不可忽视的问题。在设计过程中，需要考虑地震、风力等外部因素对桥梁结构的影响，以确保桥梁的稳定性和安全性。同时，还需要采取相应的防护措施，以应对不同的外部因素。

针对地震影响，设计人员需要采用适当的抗震设计方法和技术，例如设置减震器、增加桥梁的耐震性能等。针对风力影响，设计人员需要考虑桥梁的气动特性和风荷载计算方法，采用适当的防风措施，如加装防风墙、设置减振器等。

此外，在设计过程中，还需要考虑桥梁的环保性、经济性和美观性等方面的问题，以确保桥梁的可持续性和社会效益。

总之，大跨度桥梁结构设计涉及到多个方面的问题，需要综合考虑，采取合适的方法和技术，以确保桥梁的安全性、经济性和可持续性。在设计过程中，需要充分了解桥梁的使用环境和要求，进行全面的计算和分析，制定合理的设计方案和施工方案，实现桥梁结构设计和施工技术的创新和发展。

3 大跨度桥梁施工技术

大跨度桥梁施工是大跨度桥梁建设中不可或缺的重要环节。大跨度桥梁施工具有施工周期长、施工难度大、安全风险高等特点，因此需要采取一系列合理的施工技术，以确保施工过程的安全性和施工质量[4]。

3.1 大跨度桥梁施工技术的分类

大跨度桥梁施工技术主要包括预应力混凝土施工技术、钢桥梁施工技术和悬索桥、斜拉桥施工技术等。不同的施工技术适用于不同的桥梁结构形式，设计人员需要根据具体情况进行选择和应用。

3.1.1 预应力混凝土施工技术

预应力混凝土施工技术是大跨度桥梁建设中常用的一种施工技术，适用于钢筋混凝土桥梁和混凝土箱梁桥的建设。该技术通过对混凝土结构施加预应力，增强了结构的承载能力和稳定性，提高了桥梁的使用寿命和安全性。在预应力混凝土施工过程中，需要采取适当的预应力布置方案，控制预应力张力的大小和分布，同时保证混凝土的质量和强度。

3.1.2 钢桥梁施工技术

钢桥梁施工技术是大跨度桥梁建设中常用的一种施工技术，适用于钢拱桥、钢悬索桥等桥梁结构形式的建设。该技术通过对钢结构的制造和安装，形成桥梁的整体结构，具有施工周期短、工程量小等优点。在钢桥梁施工过程中，需要采取适当的钢结构制造和安装技术，控制钢结构的尺寸精度和质量，确保钢结构的安全和可靠性。

3.1.3 悬索桥、斜拉桥施工技术

悬索桥、斜拉桥施工技术是大跨度桥梁建设中常用的一种施工技术，适用于悬索桥、斜拉桥等桥梁结构形式的建设。采用无应力状态法进行施工控制，可保证成桥结构的内力与线形达到设计状态。在悬索桥、斜拉桥的施工过程中，需要采取适当的悬索或斜拉索制造和张拉技术，控制张拉力的大小和分布，确保悬索或斜拉索的安全和可靠性。

3.2 大跨度桥梁施工技术的关键问题

大跨度桥梁施工技术涉及到多个关键的问题，如大跨度、长悬臂连续刚构施工横向稳定及平衡，需要从安全和质量、材料和设备的选择、施工工艺和施工管理等方面把控。

3.2.1 施工安全和质量

在施工安全方面，通过大桥监控单位检测的应力和线性数据，保证各种工况下应力和挠度均满足设计和规范要求。设置施工通道、安全防护措施等，确保施工过程的安全性。同时，还需要严格控制施工质量，进行材料检测和施工检查，确保施工质量的达标和可靠性。

3.2.2 材料和设备的选择

在材料的选择方面，需要考虑材料的质量、强度、耐久性等因素，选择符合要求的材料。在设备的选择方面，需要考虑设备的功能、效率、安全性等因素，选择机械化和自动化生产效率高的设备，降低工人劳动强度。

3.2.3 施工工法和施工管理

在施工工法方面，选用连续刚构悬臂浇筑施工工法较优。悬灌施工大跨度桥梁，梁节段线性圆顺，两端悬臂重量平衡，混凝土应力及挠度变化稳定，节段施工横向稳定性好、抗风能力强。在施工管理方面，需要制定严格的管理制度和管理标准，加强施工现场管理，确保施工过程的质量和安全性[5]。

3.3 大跨度桥梁施工技术的发展趋势

随着科技的不断发展和人们对桥梁安全性和使用寿命要求的提高，大跨度桥梁施工技术也在不断创新和发展。其中一些发展趋势包括使用数字化技术、智能化技术、先进材料技术等。

3.3.1 数字化技术

数字化技术在大跨度桥梁施工中的应用越来越广泛，其能够有效地提高施工效率和质量，降低施工成本和风险。数字化技术包括建模技术、仿真技术、虚拟现实技术等，能够实现施工过程的可视化和智能化。例如，通过三维建模技术可以模拟桥梁结构的施工过程，预测施工过程中可能遇到的问题，提前做好解决方案，减少施工风险。

3.3.2 智能化技术

智能化技术在大跨度桥梁施工中的应用也越来越广泛。智能化技术包括传感器技术、云计算技术、人工智能技术等，能够实现桥梁施工过程的自动化、智能化和实时化。例如，通过传感器技术可以实时监测桥梁结构的变化和状态，预测可能发生的问题，及时采取措施，保障施工的顺利进行。

3.3.3 先进材料技术

先进材料技术在大跨度桥梁施工中也有广泛的应用。先进材料技术包括高性能混凝土、高强度钢材、纳米材料等，这些材料具有更好的性能和性价比，能够提高桥梁结构的承载能力和耐久性。例如，采用高性能混凝土可以减少混凝土的裂缝和变形，提高桥梁结构的稳定性和耐久性。

总之，大跨度桥梁施工技术涉及到多个方面的问题，需要采取合理的施工技术和管理措施，以确保施工过程的安全性和施工质量。同时，也需要不断创新和发展，采用数字化技术、智能化技术、先进材料技术等，提高施工效率和质量，实现桥梁结构的优化和可持续性。

4 未来发展趋势

随着城市化进程的不断加速，大跨度桥梁的需求也将继续增长。未来，大跨度桥梁的建设将面临更高的技术和安全要求，同时也将面临更加复杂的地理和气候环境。因此，未来大跨度桥梁的发展趋势将围绕着可持续性、安全性和经济性三个方面展开。

4.1 可持续性

未来大跨度桥梁的建设将更加注重可持续性，即在建设过程中尽可能减少对环境的影响，同时在使用过程中能够长期保持稳定的性能。为实现可持续性，未来大跨度桥梁建设将采用更加环保的材料和技术，同时也将注重桥梁的设计和施工过程中对环境的影响，以减少对生态系统的破坏。

4.2 安全性

大跨度桥梁的安全性一直是建设过程中最为重要的问题之一，未来的发展趋势也将更加注重安全性。未来的大跨度桥梁将采用更加先进的材料和技术，同时在设计和施工过程中也将注重安全性的考虑，以确保桥梁在使用过程中的稳定性和安全性。

4.3 经济性

未来大跨度桥梁的建设也将更加注重经济性，即在保证桥梁质量和安全的前提下，尽可能减少建设成本。为实现经济性，未来的大跨度桥梁将采用更加智能化的设计和施工技术，同时也将采用更加优化的管理措施，以降低建设成本。

综上所述，未来大跨度桥梁的发展趋势将围绕着可持续性、安全性和经济性三个方面展开。通过采用更加环保、先进的材料和技术，注重桥梁的设计和施工过程中对环境和安全的影响，以及采用更加智能化、优化的管理措施，未来的大跨度桥梁将更加稳定、安全、经济、环保，为城市化进程提供更加可靠、高效的交通基础设施。

5 结论

本文对跨越大跨度桥梁的结构设计及施工技术进行了研究。在结构设计方面，应根据具体情况选择合适的结构形式，并充分考虑承载能力、自振频率、施工难度、使用寿命、维护和修复等问题。在施工技术方面，应注意悬索、斜拉索和钢箱梁的施工技术，以确保施工过程中的安全性和质量。未来跨越大跨度桥梁的发展趋势是使用新材料、新技术和新设计理念，并采用智能化监测和维护技术，实现桥梁的智能化运营和管理。