黨永生

(甘肅公路航空旅游研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

1 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的發(fā)展

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,長(zhǎng)橋的建設(shè)在20 世紀(jì)末達(dá)到了頂峰。大跨徑橋梁的類型多種多樣,包括斜拉橋、懸索橋、拱橋、懸臂桁架橋和全纜橋、電纜橋,固定的兩個(gè)懸索橋混合系統(tǒng)橋、電纜桁架橋和其他新型橋。世界上最大的懸索橋是建于1998 年的明石海峽大橋(主跨1991m),以及世界上最大的斜拉橋日本塔塔拉橋(主跨：890m),建于1999 年。懸索橋是倫陽(yáng)市長(zhǎng)江上的公路橋梁,主跨1490m,居世界懸索橋第三位。湖北荊州長(zhǎng)江公路大橋是世界上第三座主跨為500m 的斜拉橋和第二座預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。當(dāng)前的橋梁技術(shù)已經(jīng)能夠解決現(xiàn)有問(wèn)題,但是隨著橋梁跨度的不斷增加,它們正在向更長(zhǎng),更大和更靈活的方向發(fā)展,以確保穩(wěn)定性、耐用性、易操作性和易構(gòu)造性。

設(shè)計(jì)橋梁工程結(jié)構(gòu)的過(guò)程是一種處理橋梁結(jié)構(gòu)的安全性(可靠性,耐久性)、適用性(功能要求和易操作性)、經(jīng)濟(jì)性(包括建筑和維護(hù)成本)的方法。在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定設(shè)計(jì)計(jì)劃,參考類似的橋梁工程設(shè)計(jì),然后計(jì)算強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。但是,由于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的限制而確定的最終解決方案通常不是理想的最佳解決方案,而只是在有限數(shù)量的解決方案中接近最佳解決方案的可行解決方案。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論是傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重大進(jìn)步,也是現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的目標(biāo)。設(shè)計(jì)計(jì)算中包括的所有定量部分均表示為變量,以構(gòu)成所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行系統(tǒng)域,前提是滿足規(guī)格和法規(guī)要求,并使用數(shù)學(xué)方法根據(jù)預(yù)定要求構(gòu)建最佳系統(tǒng)。

2 大跨度橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

太高的塔會(huì)增加施工難度并增加工程成本。如果塔架太低,電纜的工作效率將降低,作用在電纜和主梁上的力也會(huì)增加。因此,僅優(yōu)化塔架的高度是不經(jīng)濟(jì)的,需要與其他部件一起考慮。同時(shí),為確保長(zhǎng)橋設(shè)計(jì)的合理性,有必要注意塔架的結(jié)構(gòu)形式,電纜的固定形式,塔架力的合理性,電纜的形式以及錨固點(diǎn)的分布。

2.2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化斜拉索或主纜

當(dāng)前,在公路橋梁的設(shè)計(jì)和建造中,在大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了許多新的橋梁類型,例如全纜橋,長(zhǎng)懸架混合動(dòng)力系統(tǒng)等。這些新型橋具有共同的特征。即,它們?nèi)坑呻娎|支撐,并且橋面板相對(duì)柔性,從而使其成為柔性結(jié)構(gòu)。在敷設(shè)電纜的過(guò)程中,由于外部激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生大的振動(dòng)。例如,當(dāng)有風(fēng)和雨時(shí),風(fēng)和雨的振動(dòng)現(xiàn)象,電纜和主梁之間的耦合振動(dòng)導(dǎo)致電纜的數(shù)據(jù)共振和磁激勵(lì)振動(dòng)。但是,電纜的大范圍振動(dòng)很容易在電纜的固定端引起疲勞,從而縮短了電纜的使用壽命。如果情況嚴(yán)重,甚至可能威脅到橋梁的安全。因此,在大跨度橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意動(dòng)力問(wèn)題的設(shè)計(jì)。

3 公路橋梁大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

3.1 簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)橋型的應(yīng)用

公路橋梁大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還包括大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),在選擇上層建筑類型時(shí),必須根據(jù)公路橋梁的實(shí)際施工情況綜合考慮力學(xué)性能,經(jīng)濟(jì)可行性和施工工藝難度。相對(duì)而言,簡(jiǎn)支式空心板結(jié)構(gòu)的橋梁類型,施工技術(shù)較為成熟,施工方便,但這種橋梁跨度較小,梁較長(zhǎng)。由于橋梁的跨度受到某些限制,因此可能會(huì)導(dǎo)致橫跨溝渠的橋梁的高寬比不一致,并且外觀也不佳。上層建筑不能滿足超高線,公路橋徑半徑較小,高墩數(shù)增加,橋面擴(kuò)展裂縫較多,橋梁的使用條件相對(duì)較差。因此,在跨度較大的山區(qū),這種橋型橋梁通常用于填土量少,地形相對(duì)平坦的中小型橋梁。

3.2 預(yù)制和組裝的多梁T 形梁應(yīng)用

預(yù)制和組裝的多梁T 形梁在中型橋梁上的應(yīng)用具有比集成箱梁更低的建造成本和更低的工程成本的特點(diǎn)。在中等直徑之間的直梁橋中,預(yù)制的多光束T 型梁是一種廣泛使用的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。但是,與彎曲梁相比,T形梁是敞開(kāi)的,并且抗扭力和梁的平衡性比箱形梁差,因此彎曲梁的彎矩在橋的下部產(chǎn)生了更大的不平衡力。但是,當(dāng)彎曲橋的曲率較小時(shí),應(yīng)將彎曲T 型梁橋設(shè)計(jì)為直梁,并且可以通過(guò)法蘭板的寬度調(diào)整平面線性度,從而可以減少?gòu)澢旱膹澢团で?。在某種程度上,它可以有效地彌補(bǔ)彎曲T 型梁橋的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的缺點(diǎn)?；⌒螛虻闹本€部分受靜載荷和活載荷之間的不平衡影響,但存在位移曲線,但與彎曲梁相比較小。因此,在大跨度橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以采取措施加強(qiáng)側(cè)向連接,以提高公路橋梁結(jié)構(gòu)的完整性。但是,對(duì)于大跨度的橋梁,最好懸臂注入箱形梁。對(duì)于中型橋梁,無(wú)論采用哪種方法來(lái)建造箱梁橋,都將導(dǎo)致高成本,相對(duì)預(yù)制和組裝的多梁T 型梁是一種更好地應(yīng)用。

3.3 子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)必須能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的支撐要求,同時(shí)必須與上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致,并且外觀必須均勻排列。根據(jù)墩的上部結(jié)構(gòu)和高度,墩采用多種形狀,例如柱墩,空心箔墩和雙薄墩。支柱墩目前廣泛用于公路橋梁,其重量輕,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,施工方便快捷,外形輕巧美觀。在高墩的情況下,除了要計(jì)算承載能力和可使用性極限條件檢查外,還應(yīng)強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性分析。對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛性橋梁,每個(gè)墩的穩(wěn)定性受相鄰墩的約束影響,因此應(yīng)考慮整個(gè)橋或至少一個(gè)連接進(jìn)行分析。穩(wěn)定性分析中的一個(gè)中心問(wèn)題是確定零件在各種可能的載荷和邊界條件下的臨界載荷。以下是連續(xù)光束的示例。梁與墩之間的板狀橡膠軸承,作用在梁主體上的水平力H(車輛制動(dòng)力和溫度影響等)通過(guò)軸承與梁與墩接觸面的摩擦阻力傳遞到墩。但是在軸向力和墩體重量的影響下,墩頂繼續(xù)產(chǎn)生附加變形,從而使板支撐傳遞原始水平力。橋梁的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榈挚苟枕敳亢愣ㄗ冃蔚哪芰?首先將支撐的原始剪切變形恢復(fù)為零,然后逐漸達(dá)到相反的狀態(tài)。

4 優(yōu)化策略

4.1 局部?jī)?yōu)化

大跨度橋梁的局部?jī)?yōu)化可以有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。具體的優(yōu)化策略如下：首先,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)中鋼筋梁的截面積,并將鋼梁和混凝土梁以恒定比例合并。梁,復(fù)合梁和混合梁的組合可以進(jìn)一步優(yōu)化增強(qiáng)型梁應(yīng)用的性能。其次,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)主電纜的功率。該優(yōu)化方法主要應(yīng)用于斜拉橋結(jié)構(gòu)和懸索橋結(jié)構(gòu)。由于兩個(gè)橋結(jié)構(gòu)中的大多數(shù)都用作無(wú)電纜結(jié)構(gòu),因此該橋結(jié)構(gòu)對(duì)外部影響非常敏感,并且跨度很大。這使設(shè)計(jì)人員可以在這種類型的橋梁結(jié)構(gòu)中使用電源電纜安裝。優(yōu)化以減少組合振動(dòng)并提高穩(wěn)定性。第三,為了優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)中的橋臺(tái),設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的具體情況適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化墩的數(shù)量,位置和強(qiáng)度。這樣,可以大大提高橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.2 整體優(yōu)化

與局部?jī)?yōu)化相對(duì)應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是全局優(yōu)化。從客觀的角度來(lái)看,大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度很高,并且涉及許多參數(shù)和變量。因此,員工需要更多。要完全優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu),需要合理地結(jié)合局部?jī)?yōu)化和一般優(yōu)化,并優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的總體過(guò)程成本,施工技術(shù)和動(dòng)態(tài)性能。同時(shí),有必要保護(hù)腿部。根據(jù)結(jié)構(gòu)的基本功能特性,盡可能地改善了結(jié)構(gòu)的美感,并且通過(guò)結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化和景觀優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)效果。橋梁結(jié)構(gòu)的一般建設(shè)。

4.3 上層建筑優(yōu)化

對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu),它主要用于支撐整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的重力。如果施工人員想要優(yōu)化大跨度橋梁的上部結(jié)構(gòu),則可以采取以下優(yōu)化措施：首先,對(duì)于某些空心板主橋結(jié)構(gòu),通常存在相關(guān)問(wèn)題,例如跨度小和橋梁規(guī)格大,例如上層建筑半徑太大或承載能力不符合既定標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這種情況,可以適當(dāng)?shù)販p少人員數(shù)量。大量的墩臺(tái)結(jié)構(gòu)可以有效地減少和消除潛在的橋梁結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。其次,對(duì)于山區(qū)的一些大直徑橋梁結(jié)構(gòu),工作人員可以使用彎曲的梁或T 型梁來(lái)調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)的平面。這樣,對(duì)準(zhǔn)有效地減少了橋結(jié)構(gòu)的彎曲和變形,并提高了橋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

4.4 綜合調(diào)查與合作

圖1

在設(shè)計(jì)公路和橋梁時(shí),設(shè)計(jì)單位和設(shè)計(jì)師必須注意整體測(cè)量和協(xié)作工作。僅憑原理是不夠的。有必要綜合研究各種因素對(duì)公路橋梁施工的影響,按照設(shè)計(jì)程序進(jìn)行深入分析和準(zhǔn)確計(jì)算,合理運(yùn)用實(shí)際數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)可靠且適應(yīng)性強(qiáng)的公路橋梁。例如,對(duì)于具有特殊地質(zhì)環(huán)境的工程項(xiàng)目,必須科學(xué)地規(guī)劃土方工程,并結(jié)合實(shí)際的環(huán)境設(shè)計(jì)計(jì)劃,并且必須使用施工技術(shù)以最大程度地減少誤差。在修建公路橋梁時(shí),要充分考慮各種地質(zhì)復(fù)雜條件,不破壞周圍環(huán)境,建造適合實(shí)際地質(zhì)條件的公路橋梁,減少今后施工問(wèn)題的發(fā)生,切實(shí)保證工程進(jìn)度。

5 山區(qū)公路橋梁的施工要求

5.1 在橋梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)管理跨度與墩高之間的關(guān)系

就橋梁美學(xué)而言,跨度與墩高之間的關(guān)系理想情況下應(yīng)在0.618 與1 之間。即使從經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的角度來(lái)看,這種關(guān)系也是非常恒定的。當(dāng)然,由于復(fù)雜的地形變化,這些道路上的橋梁不能形成統(tǒng)一的形狀,仍然取決于某些當(dāng)?shù)貤l件。通過(guò)選擇20m 和40m 或30m 和40m 的組合跨度,可以進(jìn)行其他比較,并且可以為不同的照明配置選擇最合適的結(jié)構(gòu)。

5.2 全面實(shí)施支撐、防滑、減重、背壓、排水等工藝

首先,由于山脈復(fù)雜的地形,在雨季到來(lái)時(shí),由于某些原因造成的破壞和滑坡經(jīng)常發(fā)生。必須迅速采取有效措施解決滑坡問(wèn)題。某些措施包括排水,減重和背壓。在公路和橋梁項(xiàng)目的建設(shè)中,大多數(shù)滑坡發(fā)生在夏天,可以使用輔助施工方法(例如排水和支護(hù)工作)來(lái)避免滑坡問(wèn)題并減少對(duì)滑坡穩(wěn)定性的破壞。此外,在滑坡質(zhì)押階段,應(yīng)采取預(yù)防措施,以盡可能防止滑坡,保護(hù)過(guò)程中的局部自然條件,并防止在施工期間因橋梁施工而引起的滑坡。

其次,在過(guò)去的工程實(shí)踐中,防滑擋土墻被廣泛使用,但是在一些項(xiàng)目的建設(shè)中,考慮到當(dāng)?shù)貤l件和項(xiàng)目的實(shí)際問(wèn)題,決定使用更合理的防滑樁。與防滑擋土墻相比,防滑樁具有較強(qiáng)的防滑能力,易于施工,降低了施工成本。然而,在實(shí)際施工中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些滑坡的推力太大,防滑樁不滿足防滑要求,或者使用許多防滑樁既不經(jīng)濟(jì)也不合理。規(guī)劃時(shí),可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況優(yōu)化計(jì)劃,使用帶有多根錨索的防滑銼。