摘要：大跨度公路橋梁往往處于公路交通運輸的樞紐和咽喉地段，為道路生命線工程的重要組成部分。文章對大跨度橋梁的橋梁體系選擇、上部結構的設計和下部結構的設計進行了探討

 

　　關鍵詞：大跨度橋梁  公路橋梁   橋梁設計

 

　　前言

 

　　大跨度公路橋梁往往處于公路交通運輸的樞紐和咽喉地段，為道路生命線工程的重要組成部分。在橋型的比選上有相當的難度和復雜性，而橋梁的設置是否合理，橋梁設計方案是否合理，直接影響整條路線的工程造價及使用功能。因此在設計中必須協調好橋梁各細部構造與地形、地質之間的關系。

 

　　1 大跨度橋梁結構及其設計理論的發展

 

　　隨著我國經濟的發展,大跨徑橋梁的建設在20世紀末進入了一個高潮。大跨度橋梁形式多樣,有斜拉橋、懸索橋、拱橋、懸臂桁架橋及其它的一些新型的橋式,如全索橋,索托橋,斜拉2懸吊混合體系橋、索桁橋等等。其中,懸索橋和斜拉橋是大跨徑橋梁發展的主流。近20 年來發展最快的大跨徑橋梁是斜拉橋,而遙遙領先的是懸索橋。當前世界最大跨度的懸索橋是1998年建造的日本明石海峽大橋,其主跨度為1991m;世界最大跨度的斜拉橋是1999 年建造的日本多多羅橋,其主跨度為890 m;而中國最大跨徑的懸索橋是江蘇潤楊長江公路大橋,主跨度1490m,在世界懸索橋行列中位居第三;中國最大跨徑的斜拉橋為江蘇南京長江第二大橋,主跨度628m,在世界鋼箱梁斜拉橋中位列第三;湖北荊州長江公路大橋,主跨徑達500 m,在世界預應力混凝土斜拉橋中位列第二。目前的橋梁技術已經能較好的解決現存問題,但是隨著橋梁跨度不斷增大,向著更長、更大和更柔方向發展,為了保證其可靠性、耐久性、行車舒適性、施工簡易性和美觀性及其統一還有大量的工作要作。

 

　　橋梁工程結構設計的過程也就是如何處理橋梁結構的安全性(可靠性、耐久性) 、適用性(滿足功能要求及行車舒適性) 、經濟性(包括建設費用和維修養護費用) 及美觀性的過程。傳統的橋梁結構設計,要求設計者根據設計要求和實踐經驗,參考類似的橋梁工程設計,通過判斷去構思設計方案,然后進行強度、剛度、和穩定等各方面的計算。但由于設計者經驗的限制,確定的最終方案往往不是理想的最優方案,而僅為有限個方案中接近最優的可行方案。橋梁結構優化理論是傳統橋梁結構設計理論的重大發展,也是現代橋梁設計的目標。它是使所有參與設計計算的量部分以變量出現,在滿足規范和規定的前提下,形成全部結構設計的可行方案域,并利用數學手段,按預定的要求尋求最優方案。

 

　　2  大跨度橋梁的優化設計

 

　　局部最優雖不能等同于整體最優,但卻有益于整體最優,并促進橋梁結構的發展。因為對局部的優化設計變量相對較少而使研究的難度大大減小,研究的深度因而能更透徹。目前對大跨度橋梁的局部結構優化研究已涉及到大跨度橋梁結構設計及施工的各個方面,主要有:

 

　　（1）加勁梁橫截面的優化

 

　　大跨度橋梁的加勁梁主要有鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。根據目前全世界己建成的大跨度橋梁統計,跨度分別排在前12 位的斜拉橋和懸索橋,其主跨加勁梁形式大多為鋼梁,而鋼與混凝土結合梁和混凝土梁較少且跨度相對較小。

 

　　（2）斜拉索或主纜的動力優化

 

　　目前的大跨度橋梁主要有斜拉橋、懸索橋及其它的一些新型的橋式,如全索橋,索托橋,斜拉-懸吊混合體系橋等。這些橋式都有一個共同的特點,即都由纜索支承,且橋面較柔,屬柔性結構,阻尼低。在外部激勵下,拉索極易發生意想不到的大幅振動。如風雨共現時的風雨振現象,主梁和拉索之間耦合振動引起的參數共振、拉索的自激振動等。拉索的大幅振動容易引起拉索錨固端的疲勞、降低拉索的使用壽命,嚴重時甚至對橋梁安全構成嚴重威脅。因此,大跨度橋梁的動力問題顯得尤為重要。

 

　　（3）索力調整優化

 

　　大跨度橋梁的收縮徐變、非線性性條件等影響會隨著跨度的增大越來越顯著,但最終控制主梁應力和線形的直接因素還是斜拉索力和施工時的立模標高,因而確定合理的索力對斜拉橋的材料用量及結構安全性都有十分重要的意義。然而斜拉橋作為一個高次超靜定結構,施工中又要經過體系轉換,如何確定合理的成橋索力,同時又能保證施工中的塔梁受力均勻合理,是目前進行斜拉橋施工監測控制的主要目標。國內外對索力調整優化的研究進行得較早,發展得也較為成熟。目前,有關索力調整的理論主要有4 大類:

 

　　a) 指定受力或位移狀態的索力優化,如剛性支承連續梁法和零位移法。

 

　　b) 無約束的索力優化,如彎距平方和最小法和彎曲能量最小法。

 

　　c) 有約束的索力優化,如用索量最小法。

 

　　d) 影響矩陣法。影響矩陣法能得到不同目標函數、不同加權的優化結果,又能計入預應力、活載、收縮徐變、約束優化等影響,既可用于確定索結構合理狀態,也可用于施工階段和成橋階段的索力調整,實現了結構調整與結構優化的統一。影響矩陣法包含了前3 種優化方法,是目前最為完備的一種斜拉橋索力優化理論。

 

　　（4）索塔的結構優化

 

　　索塔的優化主要是塔高和受力合理性的優化。塔太高會給施工帶來困難,增加造價。而塔太矮會降低拉索的工作效率,增加主梁和拉索的受力。因此單獨對塔高的優化不一定是經濟的,而應和其它部分結合起來考慮。塔的受力合理性與塔的結構形式、纜索形式、纜索錨固形式及錨固點分布有關,也是一個值得研究的課題。

 

　　（5）斜拉索和吊索錨固的優化

 

　　斜拉索和吊索錨固的形式和錨固點的布置對索塔和主梁的應力集中問題和結構形式有一定的影響,應和索塔和主梁結合起來考慮。

 

　　（6）懸索橋錨錠的優化

 

　　懸索橋的錨錠有自錨式和地錨式。自錨式一般只有在無法使用地錨式時才采用。地錨的優化涉及到地質條件問題,目前研究較少。自錨式一般很少采用,研究也很少。

 

　　（7）橋墩及基礎優化

 

　　對于大跨度橋梁橋墩和基礎的優化,不論數量、位置、還是結構形式,一般都受地質條件的限制,應針對具體橋梁來考慮。因此,大跨度橋梁的橋墩優化設計一般都是獨立的,受上部結構影響很小。

 

　　三、大跨度橋梁結構設計

 

　　上部構造形式的選擇，應結合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術難度和經濟 <http://www.studa.net/Economic/>性。簡支空心板結構的橋型，施工方便，施工技術成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協調，美觀性差；上部構造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。預制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價省、施工方便的特點，其造價低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產生的不平衡力大。但當曲線橋的彎曲程度較小時，曲線T梁橋采用直梁設計，以翼緣板寬度調整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補曲線T梁橋受力和施工上的不足。雖然直線設置的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。此外，可以采取加強橫向聯系的措施，提高結構的整體性。對于大跨徑橋梁，最好采用懸臂澆筑箱梁。但是對于中等跨徑的橋梁，箱梁橋不論采取何種施工方式，費用都較高，與預制拼裝多梁式T梁相比，處于弱勢。

 

　　下部結構應能滿足上部結構對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結構相互協調、布置均勻。橋墩視上部構造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結構穩定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。對于連續剛構橋，要注意把握上下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度，可減小剛結點處的負彎矩，同時減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產生的內力。但是橋墩也不可以太柔，否則會使結構產生過大變形，影響正常使用，并不利于結構的整體穩定性。對于高墩，除了要進行承載能力與正常使用極限狀態驗算外，還要著重進行穩定分析。對于連續梁結構或連續剛構橋，各墩的穩定性受相鄰橋墩的制約影響，應取全橋或至少一梁作為分析對象。穩定分析的中心問題就是確定構件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載，下面以連續梁為例進行說明。介于梁、墩之間的板式橡膠支座，梁體上的水平力H(車輛制動力和溫度影響力等)是通過支座與梁、墩接觸面上摩阻力而傳遞給橋墩的，它不但使墩頂產生水平位移，而且板式橡膠支座也要產生剪切變形。當梁體完成水平力的傳遞以后，梁體暫時處于一種固定狀態，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會繼續產生附加變形，這就使得板式支座由原來傳遞水平力的功能轉變為抵抗墩頂繼續變形的功能，支座原來的剪切變形先恢復到零，逐漸達到反向的狀態。

 

　　四、結語

 

　　大跨度作為公路工程的一部分，很多方面需要探討。大跨度方案的確定應遵循“安全、舒適、經濟、美觀”的原則，只有把握好規律 <http://www.studa.net/>，抓住側重點，高速橋梁的布置和設計才能準確無誤。