大跨度桥梁设计要点及优化措施初探

2024-01-29王超然

中州建设 2023年5期

王超然

（长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林长春 130000）

在公路桥梁设计过程中，研究安全性和耐久性是很重要的工作。公路桥梁质量与公民出行的安全性和便利性息息相关；安全性和耐久性能影响交通事故发生的概率。为确保在设计过程中公路桥梁的安全性和耐久性，首先需要有较高设计水准和素养的人员，其次需要不断学习理论知识和积累丰富的实践经验，最大限度确保方案的合理性、科学性和可行性。

1 大跨度桥梁设计特点

地势和地形的复杂程度会影响桥梁建设质量，同时在后续施工过程中也会对建设进度等方面产生影响。此外，由于个别地区脆弱的生态环境，在桥梁建设施工过程中，桥梁景观和工程地周边的自然景观如何恰当地融合是需要充分考虑的。复杂多样的地质条件，地区岩石风化程度，是否出现陡崖、滑坡和泥石流等问题，都是设计人员在桥梁设计过程中需要充分考虑的客观条件，在设计标准化桥梁时，需要考虑客观不利条件所带来的影响。

2 大跨度桥梁的抗震特点分析

国内有很多地区在地震带上，众所周知，地震对交通基础设施的破坏力是很强的，特别是对公路桥梁设施，在造成交通瘫痪的同时往往会带来较大经济损失。大跨度桥梁的抗震特性主要在以下几方面：（1）大跨度桥梁的抗震性能设计中，概念设计的影响较大。（2）延展性是桥梁结构构件自身特性，也是大跨度桥梁的抗震特性之一，在遇到地震灾害时，延展性能够有效缓解地震对公路桥梁设施的冲击。（3）桥梁自身的减震隔震特点。

3 大跨度桥梁设计优化措施

3.1 充分勘察调研，完善设计方案

勘察调研工作是公路桥梁设计人员在设计过程中的重要工作，需要对材料、结构特性、承载能力等方面进行分析。（1）关于结构选材。设计人员通过对施工现场的勘察调研，综合考虑地质条件、地形和气候等因素后，选择合适的结构与施工材料，选材过程要有较高的科学严谨性。（2）关于疲劳损伤。在完成了设计方案的初版后，设计人员需要通过仿真技术对设计方案进行模拟，这样能够客观地了解到公路桥梁在投运后的疲劳损伤情况。（3）远景年交通通过量的计算也是公路桥梁设计过程中需要特别注意的地方，只有这样才能充分确保公路桥梁的各项性能指标符合实际需要。

3.2 拓扑优化

在对大跨度桥梁实施优化设计的过程中，按照设计变量具体类型，分为以下几个层次:其一，尺寸优化;其二，形状优化;其三，拓扑优化。在进入到新世纪以后，桥梁优化方面的研究重点逐渐从过去的尺寸转变为形状与拓扑。对于拓扑优化，现阶段主要有以下四种方法:其一，离散化连续体优化准则法;其二，遗传算法;其三，均匀化方法;其四，渐进结构优化方法。在这四种方法中，以第四种最为常用，这项技术的主要优势为概念相对简单，有较高的计算效率。

3.3 了解结构震害，优化抗震设计

桥梁墩柱、上部结构、附属工程等结构在遇到地震灾害后容易受到损害。桥梁墩柱在桥梁承重构件中很重要，如果地震对桥梁墩柱的结构破坏较大，就会对墩柱结构的承载力和强度产生严重影响。结构震害和移位震害是上部结构震害的重要表现。桥梁结构受力比较脆弱的地方主要体现在桥台连接处、主梁和下部墩柱，这些地方极易受到地震影响。

在桥梁底部加焊钢板，同时采用纵横约束装置来限制梁部位移，能够优化公路桥梁上部结构的抗震设计。梁端至墩台帽或盖梁边缘距离需符合相关规范的移位限制要求。如果桥梁跨度较大，为减少桥梁伸缩缝，可以使用连续梁。

3.4 以可靠性理论为基础的优化设计

在当前的优化理论当中，不论是局部优化还是整体优化，均以容许应力设计为基础。伴随现代设计理论持续更新和发展，在过去占据主导地位的容许应力设计势必要向更高层次的方向转变，如半概率、近似概率和全概率等，这在很大程度上促进了以可靠性理论为基础的桥梁优化。在实际的设计工作中，为确保实用性，需结合具体情况选择适宜的优化模型和求解方式，当然这需要通过大量的研究和实践来积累。

3.5 超载设计

有效提升公路桥梁的耐久性可以通过克服公路桥梁超载问题来实现。如果超负荷使用公路桥梁的时间过长，疲劳受损就会发生，并且对公路桥梁的不利影响会越来越严重，最终导致基础设施内部结构出现真实损伤。在公路桥梁基础设施中，由于超载因素带来的结构裂缝，对公路桥梁基础设施的耐久性造成了一定程度的影响。因此，公路桥梁的超载设计需要综合考虑基础设施的结构构造和实际交通状况，通过科学严谨的优化设计，最大限度对耐久性进行提升。

3.6 整体优化

绝大多数大跨度桥梁均属于高次超静定结构，结构相对复杂，关系到很多变量，而且设计时要考虑很多方面的内容。基于此，整体优化或全过程优化往往十分困难，这主要体现在以下两个方面:其一，目标函数建立;其二，根据目标函数确定最优解。在这种情况下，现阶段有关大跨度桥梁方面的整体优化设计研究成果还相对较少，但随着桥梁建设速度逐步加快，以及相关理论和方法的不断完善，对大跨度桥梁开展整体优化设计将成为主流趋势。

3.7 疲劳损伤设计

一般情况下，早期的疲劳损伤在公路桥梁基础设施工程中很难被发现，之后又历经较长时间的应力作用，疲劳损伤扩大了其所引发的负面影响，最终导致公路桥梁基础设施的表面或内部出现裂缝。综上考虑，从钢结构着手来进行公路桥梁的抗疲劳损伤设计非常重要，同时还需要全面重点分析可能引发疲劳损伤的结构位置。在此基础上，还应该积极进行相应的优化设计，力争将疲劳损伤控制在合理范围内。