莫嘉俊

廣東華南建筑設(shè)計研究院有限公司 廣東 廣州 510030

1 引言

在現(xiàn)代社會中，橋梁不僅是城市交通的基礎(chǔ)設(shè)施，也是連接不同地區(qū)、推動經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵紐帶。大跨度橋梁作為橋梁建設(shè)的重要組成部分，在連接遠距離、跨越深谷、貫穿水域等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)橋梁相比，大跨度橋梁的設(shè)計要求更高、施工難度更大，因此需要充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)等問題。

本文將對大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)進行研究和探討，以期為大跨度橋梁的建設(shè)提供參考和指導(dǎo)。同時，本文也將展望未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢，以期為橋梁建設(shè)提供新的思路和方法。

2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 常見的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式

大跨度橋梁是指跨度大于200米的橋梁，由于其跨度大、設(shè)計要求高、施工難度大等特點，需要充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)等問題。常見的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式包括懸索橋、斜拉橋和鋼—混凝土組合橋梁等。這些結(jié)構(gòu)形式各有不同的受力特點，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。

懸索橋是一種懸掛在主塔上的主纜支撐橋面的橋梁，具有跨度大、設(shè)計美觀、施工周期短等優(yōu)點。對于大跨度懸索橋來說，傳統(tǒng)的主纜線形計算理論具有很大的誤差。因為在橋梁全跨內(nèi)的恒載并非均勻分布，而且隨著跨度的增加這種不均勻性將更加明顯。為了懸索橋高精度的設(shè)計、施工和架設(shè)以及為建造更大跨度的懸索橋準備條件，有必要考慮沿弧長均布的主纜自重和由吊索所傳遞的集中荷載等實際情況，精確計算懸索橋的主纜線形[1]。

斜拉橋是一種由主塔和斜拉索支撐橋面的橋梁，具有跨度大、承載能力高、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點。對于斜拉橋來說，在恒載狀態(tài)時，斜拉索可以看成是一種主動受力構(gòu)件，可以通過設(shè)計斜拉索的索力來調(diào)整或改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。斜拉橋成橋恒載內(nèi)力分布的合理與否是衡量設(shè)計優(yōu)劣的重要標準之一。主要有剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、彎曲能量最小法和用索量最小法等設(shè)計方法。

鋼—混凝土組合橋梁是工程中常用的組合結(jié)構(gòu)，像型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)彎組合梁結(jié)構(gòu)和波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁等。在大跨度橋梁中，為加快施工速度和減輕結(jié)構(gòu)自重，采用組合結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢。為便于計算，一般要將其換算為一種材料的等效截面。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相反，組合梁結(jié)構(gòu)中的換算截面一般是將全截面換算為鋼截面來計算。剪力鍵的形式及構(gòu)造、溫度應(yīng)力的分析、收縮徐變影響的分析等都是設(shè)計的關(guān)鍵要點[2]。

2.2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要問題

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要問題包括承載能力、自振頻率、施工難度、使用壽命、維護和修復(fù)等。在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況充分考慮這些問題，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析方法進行處理。以下是這些問題的具體介紹：

2.2.1 承載能力

承載能力是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要問題。在設(shè)計過程中，需要確定橋梁的設(shè)計荷載和荷載組合，進行靜力計算和動力計算，以確保橋梁在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性。同時，還需要考慮橋梁的自重和外部因素對承載能力的影響，以確定橋梁的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。

為了確保橋梁的承載能力，設(shè)計人員應(yīng)對橋梁的荷載進行全面的分析和計算，包括靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載和臨時荷載等。靜態(tài)荷載主要來自于橋梁自身重量、行車荷載等常規(guī)荷載，動態(tài)荷載主要來自于風荷載、地震荷載等不穩(wěn)定的外部荷載，而臨時荷載則包括橋面上的施工荷載等。針對不同的荷載類型，設(shè)計人員需要根據(jù)實際情況選擇合適的計算方法，以確保橋梁在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2 自振頻率

自振頻率是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)橋梁的跨度、結(jié)構(gòu)形式和荷載等因素，確定橋梁的自振頻率，以避免自然風荷載和地震荷載等外部因素對橋梁的影響。同時，還需要采取適當?shù)拇胧缭黾訕蛎鎰偠?、加裝防振器等，以減小橋梁的振動。

為了確定橋梁的自振頻率，設(shè)計人員需要進行橋梁的動態(tài)計算和振動測試。動態(tài)計算主要是通過有限元分析等方法進行的，可以計算橋梁的固有頻率、振動模態(tài)等參數(shù)，從而確定橋梁的自振頻率。振動測試則是通過安裝振動傳感器等設(shè)備進行的，可以實時監(jiān)測橋梁的振動狀態(tài)，從而驗證設(shè)計計算的準確性。設(shè)計人員還需要考慮橋梁的穩(wěn)定性和剛度，以確保橋梁的振動不會超出設(shè)計范圍。

2.2.3 施工難度

施工難度是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要問題。在設(shè)計過程中，需要考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式、施工場地、材料、設(shè)備等因素，確定合理的施工方案和施工工藝，以確保施工的安全性和質(zhì)量。同時，還需要考慮施工期間的交通管制、環(huán)保等問題，以保證施工過程的協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性。

為了解決大跨度橋梁的施工難度問題，設(shè)計人員需要在設(shè)計階段充分考慮施工工藝和施工過程中的安全和質(zhì)量問題。例如，針對斜拉橋這種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計人員需要考慮斜拉索的張力調(diào)節(jié)和施工順序等問題，采取合理的施工方案，確保施工過程的順利進行。

2.2.4 使用壽命、維護和修復(fù)

使用壽命、維護和修復(fù)是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要問題。在設(shè)計過程中，需要考慮橋梁的使用壽命、維護和修復(fù)等因素，以確保橋梁在使用過程中的安全性和經(jīng)濟性。同時，還需要采用適當?shù)牟牧虾头栏胧ㄆ谶M行檢測和維護，以延長橋梁的使用壽命并保證橋梁的安全性。

為了確保橋梁的使用壽命，設(shè)計人員需要考慮橋梁的材料、防腐措施和檢測維護等因素。例如，在鋼箱梁橋的設(shè)計中，設(shè)計人員需要考慮鋼箱梁的耐久性和防腐性，采取適當?shù)姆栏胧?，以延長橋梁的使用壽命。同時，在使用過程中，需要定期進行檢測和維護，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)橋梁的問題，以確保橋梁的安全性和經(jīng)濟性[3]。

2.2.5 外部因素的影響

外部因素的影響是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽視的問題。在設(shè)計過程中，需要考慮地震、風力等外部因素對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以確保橋梁的穩(wěn)定性和安全性。同時，還需要采取相應(yīng)的防護措施，以應(yīng)對不同的外部因素。

針對地震影響，設(shè)計人員需要采用適當?shù)目拐鹪O(shè)計方法和技術(shù)，例如設(shè)置減震器、增加橋梁的耐震性能等。針對風力影響，設(shè)計人員需要考慮橋梁的氣動特性和風荷載計算方法，采用適當?shù)姆里L措施，如加裝防風墻、設(shè)置減振器等。

此外，在設(shè)計過程中，還需要考慮橋梁的環(huán)保性、經(jīng)濟性和美觀性等方面的問題，以確保橋梁的可持續(xù)性和社會效益。

總之，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到多個方面的問題，需要綜合考慮，采取合適的方法和技術(shù)，以確保橋梁的安全性、經(jīng)濟性和可持續(xù)性。在設(shè)計過程中，需要充分了解橋梁的使用環(huán)境和要求，進行全面的計算和分析，制定合理的設(shè)計方案和施工方案，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

3 大跨度橋梁施工技術(shù)

大跨度橋梁施工是大跨度橋梁建設(shè)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。大跨度橋梁施工具有施工周期長、施工難度大、安全風險高等特點，因此需要采取一系列合理的施工技術(shù)，以確保施工過程的安全性和施工質(zhì)量[4]。

3.1 大跨度橋梁施工技術(shù)的分類

大跨度橋梁施工技術(shù)主要包括預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)、鋼橋梁施工技術(shù)和懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)等。不同的施工技術(shù)適用于不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計人員需要根據(jù)具體情況進行選擇和應(yīng)用。

3.1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于鋼筋混凝土橋梁和混凝土箱梁橋的建設(shè)。該技術(shù)通過對混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，增強了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，提高了橋梁的使用壽命和安全性。在預(yù)應(yīng)力混凝土施工過程中，需要采取適當?shù)念A(yù)應(yīng)力布置方案，控制預(yù)應(yīng)力張力的大小和分布，同時保證混凝土的質(zhì)量和強度。

3.1.2 鋼橋梁施工技術(shù)

鋼橋梁施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于鋼拱橋、鋼懸索橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式的建設(shè)。該技術(shù)通過對鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝，形成橋梁的整體結(jié)構(gòu)，具有施工周期短、工程量小等優(yōu)點。在鋼橋梁施工過程中，需要采取適當?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)制造和安裝技術(shù)，控制鋼結(jié)構(gòu)的尺寸精度和質(zhì)量，確保鋼結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。

3.1.3 懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)

懸索橋、斜拉橋施工技術(shù)是大跨度橋梁建設(shè)中常用的一種施工技術(shù)，適用于懸索橋、斜拉橋等橋梁結(jié)構(gòu)形式的建設(shè)。采用無應(yīng)力狀態(tài)法進行施工控制，可保證成橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與線形達到設(shè)計狀態(tài)。在懸索橋、斜拉橋的施工過程中，需要采取適當?shù)膽宜骰蛐崩髦圃旌蛷埨夹g(shù)，控制張拉力的大小和分布，確保懸索或斜拉索的安全和可靠性。

3.2 大跨度橋梁施工技術(shù)的關(guān)鍵問題

大跨度橋梁施工技術(shù)涉及到多個關(guān)鍵的問題，如大跨度、長懸臂連續(xù)剛構(gòu)施工橫向穩(wěn)定及平衡，需要從安全和質(zhì)量、材料和設(shè)備的選擇、施工工藝和施工管理等方面把控。

3.2.1 施工安全和質(zhì)量

在施工安全方面，通過大橋監(jiān)控單位檢測的應(yīng)力和線性數(shù)據(jù)，保證各種工況下應(yīng)力和撓度均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。設(shè)置施工通道、安全防護措施等，確保施工過程的安全性。同時，還需要嚴格控制施工質(zhì)量，進行材料檢測和施工檢查，確保施工質(zhì)量的達標和可靠性。

3.2.2 材料和設(shè)備的選擇

在材料的選擇方面，需要考慮材料的質(zhì)量、強度、耐久性等因素，選擇符合要求的材料。在設(shè)備的選擇方面，需要考慮設(shè)備的功能、效率、安全性等因素，選擇機械化和自動化生產(chǎn)效率高的設(shè)備，降低工人勞動強度。

3.2.3 施工工法和施工管理

在施工工法方面，選用連續(xù)剛構(gòu)懸臂澆筑施工工法較優(yōu)。懸灌施工大跨度橋梁，梁節(jié)段線性圓順，兩端懸臂重量平衡，混凝土應(yīng)力及撓度變化穩(wěn)定，節(jié)段施工橫向穩(wěn)定性好、抗風能力強。在施工管理方面，需要制定嚴格的管理制度和管理標準，加強施工現(xiàn)場管理，確保施工過程的質(zhì)量和安全性[5]。

3.3 大跨度橋梁施工技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展和人們對橋梁安全性和使用壽命要求的提高，大跨度橋梁施工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。其中一些發(fā)展趨勢包括使用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)、先進材料技術(shù)等。

3.3.1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)在大跨度橋梁施工中的應(yīng)用越來越廣泛，其能夠有效地提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本和風險。數(shù)字化技術(shù)包括建模技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程的可視化和智能化。例如，通過三維建模技術(shù)可以模擬橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程，預(yù)測施工過程中可能遇到的問題，提前做好解決方案，減少施工風險。

3.3.2 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)在大跨度橋梁施工中的應(yīng)用也越來越廣泛。智能化技術(shù)包括傳感器技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁施工過程的自動化、智能化和實時化。例如，通過傳感器技術(shù)可以實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的變化和狀態(tài)，預(yù)測可能發(fā)生的問題，及時采取措施，保障施工的順利進行。

3.3.3 先進材料技術(shù)

先進材料技術(shù)在大跨度橋梁施工中也有廣泛的應(yīng)用。先進材料技術(shù)包括高性能混凝土、高強度鋼材、納米材料等，這些材料具有更好的性能和性價比，能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。例如，采用高性能混凝土可以減少混凝土的裂縫和變形，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

總之，大跨度橋梁施工技術(shù)涉及到多個方面的問題，需要采取合理的施工技術(shù)和管理措施，以確保施工過程的安全性和施工質(zhì)量。同時，也需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，采用數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)、先進材料技術(shù)等，提高施工效率和質(zhì)量，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)性。

4 未來發(fā)展趨勢

隨著城市化進程的不斷加速，大跨度橋梁的需求也將繼續(xù)增長。未來，大跨度橋梁的建設(shè)將面臨更高的技術(shù)和安全要求，同時也將面臨更加復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境。因此，未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢將圍繞著可持續(xù)性、安全性和經(jīng)濟性三個方面展開。

4.1 可持續(xù)性

未來大跨度橋梁的建設(shè)將更加注重可持續(xù)性，即在建設(shè)過程中盡可能減少對環(huán)境的影響，同時在使用過程中能夠長期保持穩(wěn)定的性能。為實現(xiàn)可持續(xù)性，未來大跨度橋梁建設(shè)將采用更加環(huán)保的材料和技術(shù)，同時也將注重橋梁的設(shè)計和施工過程中對環(huán)境的影響，以減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

4.2 安全性

大跨度橋梁的安全性一直是建設(shè)過程中最為重要的問題之一，未來的發(fā)展趨勢也將更加注重安全性。未來的大跨度橋梁將采用更加先進的材料和技術(shù)，同時在設(shè)計和施工過程中也將注重安全性的考慮，以確保橋梁在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

4.3 經(jīng)濟性

未來大跨度橋梁的建設(shè)也將更加注重經(jīng)濟性，即在保證橋梁質(zhì)量和安全的前提下，盡可能減少建設(shè)成本。為實現(xiàn)經(jīng)濟性，未來的大跨度橋梁將采用更加智能化的設(shè)計和施工技術(shù)，同時也將采用更加優(yōu)化的管理措施，以降低建設(shè)成本。

綜上所述，未來大跨度橋梁的發(fā)展趨勢將圍繞著可持續(xù)性、安全性和經(jīng)濟性三個方面展開。通過采用更加環(huán)保、先進的材料和技術(shù)，注重橋梁的設(shè)計和施工過程中對環(huán)境和安全的影響，以及采用更加智能化、優(yōu)化的管理措施，未來的大跨度橋梁將更加穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟、環(huán)保，為城市化進程提供更加可靠、高效的交通基礎(chǔ)設(shè)施。

5 結(jié)論

本文對跨越大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)進行了研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并充分考慮承載能力、自振頻率、施工難度、使用壽命、維護和修復(fù)等問題。在施工技術(shù)方面，應(yīng)注意懸索、斜拉索和鋼箱梁的施工技術(shù)，以確保施工過程中的安全性和質(zhì)量。未來跨越大跨度橋梁的發(fā)展趨勢是使用新材料、新技術(shù)和新設(shè)計理念，并采用智能化監(jiān)測和維護技術(shù)，實現(xiàn)橋梁的智能化運營和管理。