黃吉滔

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,北京 100088）

0 引言

隨著我國公路交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，跨江和跨海的大跨度橋梁逐漸增多，因此，對大跨度橋梁建設(shè)、設(shè)計及施工提出了新的挑戰(zhàn)。大跨度橋梁分為懸索橋、斜拉橋及拱橋等。在工程實踐中，由于大跨度橋梁具有跨徑大、受力性能好、經(jīng)濟合理等特征，同時具備施工便捷、造型優(yōu)美等優(yōu)勢[1]，所以應(yīng)用廣泛。大跨度的橋梁意味著更高標準的施工方法、強度更高的材料、更嚴格的結(jié)構(gòu)計算。然而，大跨度橋梁工程規(guī)模大、技術(shù)難度大，橋梁如何合理選型、選擇跨徑等都會對大跨度橋梁建設(shè)產(chǎn)生深遠影響，這對橋梁設(shè)計提出了更高要求。因此，開展大跨度橋梁設(shè)計要點研究、探索設(shè)計優(yōu)化措施勢在必行。因此，如何將大跨度橋梁更好地應(yīng)用于工程中，是所有橋梁從業(yè)者的追求。該文將從大跨度橋梁的設(shè)計要點出發(fā)，分析不同類型大跨度橋梁的設(shè)計要點，并根據(jù)設(shè)計的不足，提出一些優(yōu)化措施。

1 大跨度橋梁簡介

20 世紀80 年代，上海黃浦江大橋的建成，標志著我國自主建設(shè)特大跨徑橋梁進入新階段。90 年代，隨著國家經(jīng)濟實力的提高，國家培養(yǎng)了大批量的橋梁設(shè)計人才，先后建成了楊浦大橋，主跨長602 m，廣東汕頭海灣大橋，主跨長452 m，江陰大橋，跨度長達千余米。這些均屬于大跨徑橋梁。大跨徑橋梁的特點是跨徑和橋?qū)挾即螅凶銐虻某休d能力，安全性能和穩(wěn)定性有足夠的保障。大跨徑橋梁不僅承載性能高，而且體積龐大，具體表現(xiàn)為以下四個方面[2]：

（1）大跨徑橋梁體積相比一般橋梁大，無論是橋長還是橋?qū)?，都能看出大跨徑橋梁的龐大?/p>

（2）大跨徑橋梁的施工組織設(shè)計比一般橋梁復(fù)雜。施工不當，可能會導(dǎo)致大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此大跨徑橋梁的施工要更加嚴密和精準，保障施工后的橋梁結(jié)構(gòu)接近橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)。

（3）在結(jié)構(gòu)組織及規(guī)劃方面也較為復(fù)雜。從大跨度橋梁主體結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，很多橋梁都需要對該橋體過渡節(jié)點進行設(shè)計，并根據(jù)橋梁實際長度、寬度等進行元素融入。

（4）大跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)，梁中所受彎矩更大。要保證大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)受力與一般橋梁類似，必須加強承載力的設(shè)計，保證車輛能夠正常通行。因此，對橋梁的結(jié)構(gòu)和本身的材料都提出了更高的要求，需要有更大的強度和更小的自重來滿足要求。

2 工程概況

該文依托工程為某大跨度斜拉橋，橋梁全長為10.03 km，主航道橋為主跨1 176 m 的鋼桁梁斜拉橋，設(shè)計速度100 km/h；下層橋面上游側(cè)布置兩線城際鐵路，設(shè)計速度200 km/h；下層橋面下游側(cè)布置4 車道一級公路，過江段設(shè)計速度8 km/h。表1 為大跨度斜拉橋設(shè)計參數(shù)。

表1 大跨度斜拉橋設(shè)計參數(shù)

3 大跨度橋梁設(shè)計的設(shè)計要點

3.1 大跨度懸索橋的設(shè)計要點

懸索橋是一種主要承受拉力的構(gòu)件，同樣也屬于柔性結(jié)構(gòu)。懸索橋在施工完成前，只確定了主塔的設(shè)計高度和矢高控制點高程，其他的參數(shù)信息都是未知的。在整個施工中，纜線和吊桿的受拉都是一次性的，無法提前預(yù)知。纜線的線形受外界環(huán)境的影響較大，會根據(jù)溫度的不同，出現(xiàn)較大偏差，因此懸索橋的施工方法尤為重要，應(yīng)嚴格掌控纜線的張拉，滿足橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求[3]。

懸索橋在施工前無法預(yù)知材料的張拉性能，因此需要提前模擬和計算。設(shè)計懸索橋的方法有兩種，解析法和數(shù)值仿真法。解析法相比數(shù)值仿真法用到的代碼較少、計算時間短、收斂快，在短時間內(nèi)能得到計算結(jié)果，并且結(jié)果的誤差較小，多應(yīng)用于懸索橋主纜計算分析。而解析法也有其缺陷，例如解析法的計算方式無法獲得主塔的內(nèi)力和加勁梁的內(nèi)力，需要重新計算這兩種內(nèi)力，這樣一來會導(dǎo)致計算結(jié)果不準確。實際荷載作用與解析法計算的荷載作用有所出入。表2為解析法計算理論分類。

表2 解析法計算理論分類

解析法將橋梁簡化為線形，而數(shù)值仿真可以完整地還原橋梁本身的非線性，更加接近于實際情況。并且各種形狀的橋型都適用。數(shù)值仿真法建立的有限元模型可以將橋梁的三維實體還原，各個構(gòu)件之間的相互作用和相互影響也可以考慮進去，因此利用數(shù)值仿真的方法實現(xiàn)了對懸索橋的三維分析。對橋面系的模擬是橋梁模型的重要部分，橋面系的梁式簡化模型主要有單主梁模型、雙主梁模型和三主梁模型，圖1 為雙主梁模型。同樣數(shù)值仿真法也有其缺陷，數(shù)值仿真中的三維模型對構(gòu)件的局部處理不夠精確，并且要不斷計算，直到計算結(jié)果收斂。整個過程要不斷做重復(fù)性的工作，而且計算時間較長，對計算機的要求較高。

圖1 雙主梁模型

3.2 大跨度斜拉橋的設(shè)計要點

斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，設(shè)計復(fù)雜，變量較多，技術(shù)含量高。橋型的選擇和設(shè)計有著一定的難度。當?shù)缆肪€形面臨跨度較大的河流峽谷時，可優(yōu)先采用斜拉橋。斜拉橋的優(yōu)勢有以下幾點：

（1）跨越能力更強，對比圖2 連續(xù)梁橋和圖3 斜拉橋的內(nèi)力圖，梁橋的拉索使彎矩分配更加均勻，沒有較大的彎矩產(chǎn)生。

圖2 連續(xù)梁橋恒載彎矩圖

圖3 斜拉橋恒載彎矩圖

（2）建筑小巧，橋下有足夠的空間。

（3）造型美觀，可塑性強。

同樣斜拉橋也有其劣勢：

（1）計算復(fù)雜。斜拉橋設(shè)計計算中變量過多，要設(shè)計出最經(jīng)濟合理的橋型難度較大。

（2）施工復(fù)雜。斜拉橋?qū)κ┕さ募夹g(shù)要求極高，需要嚴格按照標準施工。

（3）構(gòu)件連接復(fù)雜。

斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要構(gòu)件如表3 所示。斜拉橋的設(shè)計靈活，設(shè)計師可以根據(jù)實際情況對其進行組合。

表3 斜拉橋主要構(gòu)件及材料形式

3.3 大跨度拱橋的設(shè)計要點

傳統(tǒng)的橋梁形式大都以拱橋為主，并且大多數(shù)都為石拱橋。隨著時代的進步，現(xiàn)在的拱橋設(shè)計不再拘泥于實用功能，更多的是美觀性，加入一些現(xiàn)代化元素，使拱橋更具觀賞性。拱橋適合應(yīng)用在跨徑較小的橋梁上，但拱橋上的拱肋可以調(diào)整，設(shè)計師在設(shè)計大跨徑拱橋時可以調(diào)整拱肋的大小來實現(xiàn)拱橋的大跨徑。表4 為大跨度拱橋分類形式。同時采用新型的建筑材料，例如鋼筋和混凝土。拱橋可以與其他形式的橋梁進行結(jié)合，增加橋梁的設(shè)計可能性，使橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能和經(jīng)濟性達到更高的水平[4]。同時，從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，拱橋的應(yīng)用在某種程度上受到跨徑的限制。因此，當采用實體拱肋的結(jié)構(gòu)形式時，需依據(jù)橋梁的實際情況，確定合適的鋼管形式。單管形式性能良好，一定程度上可以簡化施工流程，然而也存在抗彎性有限的缺點。多管形式一方面具備較好的抗彎性能，另一方面可以應(yīng)用于大跨度橋梁中。綜上所述，在拱橋設(shè)計過程中，應(yīng)結(jié)合橋梁實際情況，科學(xué)選型，進一步提高設(shè)計方案合理性。

表4 大跨度拱橋分類形式

4 大跨度橋梁設(shè)計優(yōu)化措施

4.1 局部優(yōu)化設(shè)計方法

第一，梁橋主要承受彎矩，因此需要加強梁的橫截面設(shè)計。無論是鋼梁還是混合梁都需要全面強化。我國在梁橋的材料選擇上，大多數(shù)選用鋼材，對混凝土和鋼材的結(jié)合較少，因此在以后的設(shè)計中可以加強鋼材和混凝土的混合使用，以此來提高梁橋的抗彎性能[5]。

第二，在大跨度橋梁建設(shè)中，多采用斜拉橋、懸索橋的結(jié)構(gòu)形式。這兩種形式均使用橋梁拉索并結(jié)合堅固支撐。在不利自然因素和工程因素綜合作用下，橋梁拉索強度減小，橋梁承載力降低。因此，在對斜拉橋斜拉索和主纜動力優(yōu)化過程中，設(shè)計人員應(yīng)重視斜拉索在外界因素作用產(chǎn)生的震動等現(xiàn)象。

第三，為了提高橋梁承載力，增強橋梁安全穩(wěn)定性，設(shè)計人員應(yīng)對橋梁橋墩和基礎(chǔ)進行充分優(yōu)化。對橋梁狀況充分了解后，在滿足上部荷載基礎(chǔ)上，反復(fù)論證基礎(chǔ)選型和橋墩尺寸，從而使大跨度橋梁具備較好的穩(wěn)固性能和安全性能。

4.2 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

在對上部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，不僅要嚴格按照施工規(guī)范要求操作，還需考慮施工的便捷性以及其他因素。在設(shè)計初期，在滿足橋梁承載力性能的前提下，通過優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)最大限度上提升橋梁性能。比如，簡支空心板結(jié)構(gòu)技術(shù)可以降低橋梁施工難度，提升橋梁建設(shè)質(zhì)量。然而，采用該項技術(shù)建設(shè)過程中，容易出現(xiàn)橋梁高跨不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。因此，為了增強大跨度橋梁上下結(jié)構(gòu)的連接程度，消除施工隱患，在設(shè)計中應(yīng)合理設(shè)置伸縮縫，伸縮縫數(shù)值過大或過小都會影響車輛行駛體驗。同時，據(jù)調(diào)查研究表明，在橋梁建設(shè)施工過程中，適當優(yōu)化懸索橋錨旋可以提升橋梁的整體性能，消除橋梁建設(shè)本身存在的安全隱患，對橋梁建設(shè)意義重大。在優(yōu)化斜拉橋過程中容易出現(xiàn)位移以及受力不均勻的現(xiàn)象，為了避免這一問題，在優(yōu)化時必須加大對橋梁工程非線性條件的考察力度。

4.3 墩臺塔吊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在現(xiàn)場施工中，一般采用塔吊設(shè)備進行翻模施工。在大跨度橋梁現(xiàn)場實際施工中，首先將施工平臺同模板固定，為了便于上層模板安裝和后續(xù)測量工作的正常進行，須拆卸下層模板。對整個施工過程而言，需要將模板與施工平臺看作單獨的個體。而大部分施工人員將施工平臺和模板看作整體，設(shè)計與施工不相匹配。綜上，采取墩臺塔吊翻模施工技術(shù)，一方面可以簡化施工工藝，另一方面可以提高墩臺外觀的美觀性，減少表面裂縫的出現(xiàn)，實現(xiàn)了模板與施工平臺的分離。

4.4 整體優(yōu)化設(shè)計方法

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多變量，且屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中無法做到準確判斷，在設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮各種因素，對橋梁質(zhì)量做出合理評判，同時評判過程應(yīng)結(jié)合橋梁的各項參數(shù)及運營狀態(tài)。在當前大跨度橋梁建設(shè)過程中，采用整體優(yōu)化設(shè)計方法存在一定難度，主要是受到建設(shè)環(huán)境、工程造價及施工技術(shù)等因素影響。因此，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合國外的設(shè)計模式及設(shè)計理念，對照橋梁建設(shè)情況，引入功能評價、造價控制等指標，實現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計效果。

5 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，大跨度橋梁建設(shè)必然朝著更大跨度方向發(fā)展，也必然面臨更嚴峻的技術(shù)問題。因此，在今后的大跨度橋梁建設(shè)中應(yīng)重視設(shè)計的關(guān)鍵節(jié)點，從橋梁的各個結(jié)構(gòu)層面對設(shè)計進行優(yōu)化，從而使我國大跨度橋梁建設(shè)不斷取得新突破、新進展，為區(qū)域交通運輸發(fā)揮保障和先行引導(dǎo)作用。