文／欒坤鵬 煙臺公路路網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心 山東煙臺 264003

引言：

在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，不斷增加大跨度橋梁的需求，因此我國加大力度研究大跨度橋梁。近些年我國不斷擴大大跨度橋梁的建設規(guī)模，同時也在不斷完善相關設計理論，但是在大跨度橋梁工程中，施工環(huán)境和人為因素等都會影響到設計效果，因此在大跨度橋梁中還存在一些問題。為了優(yōu)化大跨度橋梁設計效果，設計人員需要加強創(chuàng)新大跨度橋梁設計理論，不斷完善大跨度橋梁設計方案，保障大跨度橋梁建設效果。

1、概述大跨度橋梁結構設計中存在的問題

大跨度橋梁主要包括斜拉橋和拱橋以及懸索橋等，其中斜拉橋和懸索橋應用頻率比較高，而斜拉橋發(fā)展速度比較快。近些年我國不斷發(fā)展大跨度橋梁設計和施工技術，例如港珠澳大橋和青島海灣大橋的規(guī)模和施工水平等已經(jīng)達到世界先進水平，其中港珠澳大橋在2018年通車，全長達到5500m，而青島海灣大橋結合應用斜拉橋和懸索橋，全長達到2670.7m。在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，將會逐漸增高大橋梁的跨度，因此相關人員需要繼續(xù)探索大跨度橋梁設計和建設【1】。

在大跨度橋梁設計過程中，需要確保大跨度橋梁結構的安全性和經(jīng)濟性以及美觀性，這是大跨度橋梁設計重要的考慮內(nèi)容。針對原來的大跨度橋梁設計工作，設計人員需要結合自身工作經(jīng)驗和設計要求，并且需要綜合類似工程設計內(nèi)容，建立科學的設計方案，再通過合理計算強度和溫度等要素，從而確定判斷結果，但是利用這種方法確定的方案缺乏經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，因此當前設計人員還需要進一步優(yōu)化大跨度橋梁設計工作。

2、不同類型大跨度橋梁的設計要點

2.1 大跨度懸索橋的設計

建設懸索橋可以提高橋梁施工水平，當前在山區(qū)大跨度公路橋梁建設過程中普遍利用懸索橋，因此懸索橋在我國具有良好的發(fā)展前景。懸索橋結構設計比較特殊，在實際設計過程中大跨度橋梁設計水平直接關系到橋梁承載力，需要引起設計人員的重視。懸索橋可以被分為中跨和邊跨兩部分，因此設計人員需要重視橋塔的位置，根據(jù)橋梁長度科學的確定橋塔位置。當前中跨和邊跨設計比例通常選用2：1或者4：1，而橋梁垂直比主要是利用1：6或者：7。在設計過程中，設計人員可以結合橋梁施工要求合理調整具體的比例【2】。

2.2 大跨度拱形橋梁設計

大跨度橋梁拱形橋梁的基礎是傳統(tǒng)拱橋，設計人員融合傳統(tǒng)拱橋基礎和現(xiàn)代設計元素，并且引入各種新技術和新工藝等，保障大跨度橋梁拱形橋梁設計效果。對比傳統(tǒng)拱橋，大跨度拱橋具有顯著的優(yōu)勢，不僅可以明顯縮短工期，同時可以提高整體承載力，并且利用相對低價的施工材料，此外大跨度拱形橋梁還具有顯著的可靠性和穩(wěn)定性。

大跨度橋梁拱形橋梁適用于淺層地質較好的山地和峽谷等地，設計人員根據(jù)拱橋承載形式，可以選用上承式拱橋和中承式拱橋以及下承式拱橋。從橋梁施工材料出發(fā)，當前常用的大跨度拱形橋梁包括鋼筋混凝土拱橋和鋼桁架拱橋等，其中比較常用的拱橋形式為鋼管混凝土結合拱橋【3】。

2.3 大跨度斜拉橋設計

在大跨度橋梁中，大跨度斜拉橋具有較高的穩(wěn)定性和承載力，此外還具有顯著的跨越能力。大跨度斜拉橋主要包括主梁和索塔以及斜拉索三部分，主梁負責體用彈性支承力，具有較小的受力跨度。索塔是大跨度斜拉橋景觀設計的重要部分，設計人員可以根據(jù)景觀要求設計索塔為V形和倒Y形。在大跨度斜拉橋中，斜拉索可以向索塔傳遞主梁荷載，主要包括鋼索和錨具以及減震裝置等。因此在設計大跨度斜拉橋的過程中，設計人員需要綜合考慮大跨度橋梁跨越情況，合理組合主梁和索塔以及斜拉索等。

在大跨度斜拉橋中主梁屬于重要的一部分，發(fā)揮著荷載傳遞和支撐等作用。當前大跨度斜拉橋主梁包括疊合梁和混凝土梁以及鋼梁等。利用疊合梁可以降低橋梁占用高度。而混凝土梁主要是利用混凝土材料，具有顯著的承載力和剛度優(yōu)勢。在設計大跨度橋梁主梁的過程中，需要根據(jù)工程特征合理選擇主梁形式，通過優(yōu)化設計主梁材料和施工技術等，因此提高主梁設計水平【4】。

拉索是斜拉橋的主要支撐結構，在外力的影響下，拉索很容易發(fā)生振動問題。例如在風雨的影響下，拉索將會產(chǎn)生耦合振動和自激振動，同時會產(chǎn)生連鎖振動中應，從而縮短拉索結構使用壽命，甚至會影響到橋梁安全性。因此在優(yōu)化設計拉索的過程中，需要注重設計動力結構。

大跨度斜拉橋會改變非線性條件和收縮徐變，因此需要合理確定索力，因此提高整個橋梁結構的安全性。在橋梁索力設計中，設計人員可以利用定位儀開展索力設計工作，并且綜合零位移和支撐連續(xù)墻等方式實施調整。在約束索力設計過程中，設計人員需要遵守索量最小原則，設計沒有約束的索力，可以利用彎矩最小方法。設計人員利用影響矩陣法的過程中，在不同加權條件下開展計算工作，保障目標函數(shù)的準確性。同時根據(jù)數(shù)據(jù)結果準確的評估橋梁索結構，并且方便在實際施工中調整索力。

在設計索塔的過程中，需要綜合工程要求和施工條件等科學的確定塔高，要注意嚴格控制索塔高度，如果索塔較高將會增加整體施工難度，同時還會增加整體工程造價。如果索塔過低將會降低整體工作效率，同時還會硬性奧拉索受力【5】。

3、大跨度公路橋梁優(yōu)化設計措施

3.1 整體優(yōu)化設計

因為大跨度橋梁施工環(huán)境比較特殊，因此需要保障橋梁設計工作的安全性。大跨度橋梁結構的承載力和耐久性等方面都非常復雜，因此增加了大跨度橋梁設計的難度。因為大跨度橋梁通常處于復雜的地理環(huán)境，因此地質因素和材料因素等都會影響到大跨度橋梁模擬計算結果，因此增加了大跨度橋梁施工難度。因此設計人員需要采取針對性的措施，提高橋梁結構的耐久性和安全性，在整體角度優(yōu)化設計大跨度橋梁，有利于降低整體施工的復雜性，同時可以降低施工成本。

在整體結構優(yōu)化階段，可以利用容許應力設計方案。近些年我國不斷發(fā)展各種設計理論，通過利用概率法和半概率法以及全概率設計方法，有利于提高大跨度橋梁結構的穩(wěn)定性。描述橋梁結構不確定因素，可以利用定量分析方法確定大跨度橋梁安全性指標和競技性指標，從而滿足橋梁安全性和競技性需求，從而實現(xiàn)大跨度橋梁設計目標。為了保障大跨度橋梁的實用性，還需要結合實際情況建立大跨度橋梁結構模型，通過分析建立的模型，可以優(yōu)化整體大跨度橋梁結構。在實際施工中需要根據(jù)大跨度施工要求選擇算法，并且保障分析結果的準確性，因此提高大跨度橋梁設計水平。當前在大跨度橋梁設計中可以利用數(shù)學規(guī)劃法和最優(yōu)準則法等，通過合理選擇優(yōu)化算法，有利于保障大跨度橋梁效果【6】。

3.2 局部優(yōu)化設計

近些年在大跨度橋梁設計中不斷投入利用各種新技術和新材料等，有利于進一步完善橋梁體系，同時可以提高大跨度橋梁的承載力，延長整體使用壽命。在大跨度橋梁局部優(yōu)化過程中，需要優(yōu)化設計橋梁受力構件和易損構件等，優(yōu)化大跨度橋梁的跨越能力，降低整體施工成本。

我國不斷提高鋼材產(chǎn)能，因此降低鋼材價格，而鋼材具有較輕的重量，同時具有顯著的抗拉強度，因此可以在大跨度橋梁設計中推廣應用。利用鋼結構梁體或者鋼混疊合梁體代替鋼筋混凝土結構，可以降低大跨度橋梁梁體的自重，同時在降低梁高的過程中還可以增大橋梁跨度。例如在大跨度斜拉橋和懸索橋中可以優(yōu)化設計加勁梁結構。

通過深入研究大跨度橋梁跨徑比和垂直比等，并且積極探索大跨度橋梁自振頻率和結構共振理論等，同時研究利用各種阻尼材料，可以為大跨度橋梁優(yōu)化設計提供更多的參考理論，奠定堅實的技術基礎【7】。

3.3 上部結構優(yōu)化

3.3.1 預制拼裝多梁式T梁結構

在大跨度橋梁設計過程中廣泛利用預制拼裝多梁式T梁，對比整體式箱梁，預制拼裝多梁式T梁結構施工過程更加簡單，同時具有較低的施工成本。因為利用具備開口斷面的下梁，因此這一結構缺乏平衡受力和抗扭能力，而曲線梁中彎曲作用力不利于平衡公路橋梁下部結構受力性。因為T形梁屬于一種直梁設計模式，可以利用翼緣板寬度線性調整平面，利用利用T梁橋可以控制彎扭作用力。

在設計T梁橋的過程中，如果沒有平衡直線部分的靜荷載和動荷載，將會產(chǎn)生位移曲線。因此設計人員在設計大跨度橋梁的過程中可以利用測量連接方式，優(yōu)化大跨度橋梁結構性能，例如可以選用懸臂注入箱式梁【8】。

3.3.2 簡支空心板結構橋型

結構設計是大跨度橋梁工程的基礎，在選擇上部構造形式的過程中，設計人員需要綜合大跨度橋梁后續(xù)施工情況和受力特點等，保障上部構造形式的科學性。而簡支空心板結構橋型具有顯著的優(yōu)勢，并且相關施工技術不斷完善，操作過程也非常簡單，但是簡支空心板結構橋型也存在不足之處，因為梁高較高，因此減小了跨徑，因此影響到跨徑和梁高之間的比例合理性，還不利于保障整體結構的美觀性。此外需要利用較多的高墩，因此在橋面很容易產(chǎn)生伸縮裂縫，影響到車輛行駛的舒適度。此外通常是在地形平緩的區(qū)域利用簡支空心板結構橋型，對于地形條件的要求比較嚴格。

3.4 下部結構優(yōu)化設計

大跨度橋梁下部負責支撐橋梁上部結構，因此突出了下部結構的重要性，同時需要協(xié)調下部結構和上部結構，突出大跨度橋梁的整體性。而下部結構的主要形式為橋墩，因此在大跨度橋梁設計過程中，要注意優(yōu)化設計橋墩。

橋墩主要包括空心薄壁墩和柱式墩以及雙臂壁墩等，在橋梁中廣泛利用柱式墩，這種類型具有較多的優(yōu)勢，例如自重較輕，同時可以保障結構穩(wěn)定性，有利于順利開展施工，并且保障外形的美觀性。在連續(xù)剛構橋建設過程中，為了控制上下部的溫度內(nèi)力，可以減少負彎矩，同時可以減少橋墩彎矩，同時可以降低下部結構的剛度比。但是不能過度減少橋墩的剛度，否則將會引發(fā)結構變形問題，不利于正常使用結構，甚至會降低橋梁結構的穩(wěn)定性。在高墩選擇階段，不僅需要計算承載力和極限狀態(tài)，需要分析高墩的穩(wěn)定性，確定橋墩是否會影響到相鄰橋墩的穩(wěn)定性，因此在橋墩設計過程中，需要綜合分析整個橋梁，確保合理的設計橋墩。

優(yōu)化設計大跨度橋梁下部結構，設計人員需要合理選擇結構形式，同時需要根據(jù)勘測設計規(guī)范明確施工技術要點。只能對傳統(tǒng)的下部結構施工，連接施工模板和施工平臺為一個整體，通常是在早期施工中利用這種方式，但是進入到后續(xù)施工階段將會提高施工難度。施工 技術不斷發(fā)展，在大跨度橋梁下部職工開始利用翻模技術，要求施工人員在在模板支架上設置施工平臺，并且利用塔吊吊裝下層模板和平臺，隨后將下層模板拆除，并且安裝和測量上層模板平臺。通過充分利用翻模技術，可以有效分離施工模板和施工平臺，在橋梁每隔5m就要建設新的施工平臺，不僅可以提高整體施工效率，同時可以提高實際施工的靈活性。因為是在支架坐標系中建設墩臺塔吊的工作區(qū)間，并且始終進行直線運動，因此利用翻模技術可以簡化整體施工流程，提高整體墩臺施工質量，避免發(fā)生扭矩和裂縫。此外在橋梁混凝土墩臺中利用翻模技術，還可以提高整體結構的美觀性【9】。

4、工程案例

4.1 工程概況

本工程為高墩大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋施工項目。該橋的上部結構利用連續(xù)剛構橋，主跨跨徑為260m，引橋上部結構利用利用50m預應力T梁和30m的預應力簡支箱梁。在主橋設計過程中，在墩頂薄壁箱型墩薄壁的對應位置設置2.5m厚度的兩個橫隔板，根據(jù)箱梁中心線和單箱單式箱形截面設計梁高和主梁，并且根據(jù)三向預應力實施箱梁設計。箱梁頂板寬度為10m，底板寬為5m，翼緣板中設置2.5m的懸臂。

4.2 設計高墩大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋上部結構

4.2.1 設計和選擇施工材料

設計上下部支座的過程中，利用支座可以有效保護上部結構。該工程利用VLM15作為預應力錨具，并且配套利用千斤頂。預應力管道lyo9ng預埋金屬波紋管。橋面防水層和鋪裝層選用無機材料防水層和瀝青混凝土。引橋選用預應力簡支箱梁和預應力簡支T梁，選擇C50的混凝土。在預應力簡支箱梁和預應力T梁中選擇C40的鋼纖維防水混凝土。

4.2.2 結構設計

①主梁橫斷面：主梁利用C50的混凝土，選用HRB400鋼筋，鋼筋直徑在12mm以上。設計簡支梁間距為3m，翼板和橫隔板的濕接縫設計寬度為0.6m。T梁主梁的間距設計為2.451m，并且設計了兩種預制寬度，為別是1.8m和1.9m，在翼板和橫隔板之間設計0.598m的濕接縫。選用0.2m厚度的T梁肋板。

②主梁橫隔板：簡支箱梁需要在梁端設置一道橫隔板，長度為50m的簡支T梁需要設置9道橫隔板。為了提高梁的整體性，在橫隔板連接過程中需要利用現(xiàn)澆濕接縫方式。

③伸縮縫：伸縮縫使用淺埋式伸縮縫，根據(jù)橋梁連續(xù)結構設計簡支梁。設計人員需要根據(jù)橋面水的標準設置橋面泄水管。在外梁翼緣板預制階段需要參考預留孔洞。

4.2.3 施工要點設計

通過控制張拉力和伸長值，可以有效控制預應力鋼絞線的張拉。此外需要結合梁體混凝土施工要求，施加的預應力要超過梁體混凝土強度的85%。同時需要維持4d以上的養(yǎng)護時間。最后需要根據(jù)設計圖和相關設計規(guī)范開展張拉工作，保障張拉效果的對稱性。

在簡支梁張拉過程中，設計需要關注橋梁拱度，在實際張拉階段嚴格控制彈性上拱值和計算值。完成張拉施工之后需要落實封錨施工，避免在預制梁上拱產(chǎn)生較大的收縮差。

結束語：

社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，也逐漸完善我國的交通網(wǎng)絡，而大跨度橋梁是交通體系的一部分，因此需要注重大跨度橋梁設計工作。在大跨度橋梁設計過程中，設計人員需要結合實際工程特征，優(yōu)化設計大跨度橋梁結構，從而保障大跨度橋梁整體施工效果。