桥梁设计方案及设计要点的分析

冯学俊 江苏苏邑设计集团有限公司

1 前言

经济的进步使得我国的交通事业也获得了进一步发展的重要机遇，作为交通系统中的重要组成部分，桥梁的重要性毋庸置疑。因此，在对桥梁进行设计时，不仅需要考虑预期的应用效果与建设目标，还要考虑到与周边环境的融合性、建设经济性以及耐久性等。设计方案是否符合相关标准决定了桥梁的使用质量与后期维修养护效果，应提高对设计环节的重视，以保证设计方案实际应用的合理性与有效性。

2 设计原则

第一是应贯彻落实安全、耐久以及经济的设计理念，同时联系实际建设环境综合考虑工期、养护条件以及造价等因素，其也是突显桥梁建设装配化与标准化设计理念应用优势的重要基础。第二是应对地形进行充分考虑，并在满足预期建设需求的基础上选择应用科学合理的施工工艺，并需要注意不同施工阶段、不同地形的质量控制的难度，例如库区或陡坡。在明确桥梁建设环境的情况下才能选择出施工方便且较为成熟的施工技术[1]。第三是若桥梁有跨越较大宽度的道路、河流以及管线的建设需要，应将错孔、大挑臂以及门架墩等作为桥梁架设首选方式，应用正交标准跨径。而若是位于道路中央的分隔带具有桥墩设置条件，建议采取中央分隔带的设墩方案以达到竖曲线高度的降低目的。部分桥墩结构对水流或地形有着特殊的建设要求，因此应在选择应用预制结构前制定独柱墩或斜桥布设的方案。第四是若有互通区桥梁或配跨等特殊要求，应对视距的具体需要进行分析，包括平纵曲线以及地形条件等，以帮助进一步提升模板的施工效率。第五是确保墩身高度应与桥梁配跨相符，以将桥梁的经济性以及上部结构的建设协调性等优势充分突显出来。且需要联系地形与立柱高度等做好动态设计工作，为其可观赏性的进一步提升奠定坚实的基础。

3 选择合适的桥型方案

由于桥涵构件的特殊性，联系工程实际建设条件后设定了上下部结构选型的重点，分别从经济、工期、结构适用以及环境影响等角度进行了综合比对，并选择出了最佳的设计方案[2]。对桥位的建设条件进行综合考虑后，制定出了三种符合建设要求的方案，分别为：双主梁钢板梁+预制桥墩、T梁+预制大挑臂盖梁+预制桥墩以及T梁+桩柱式墩。随后应对三种方案的具体应用效果进行技术经济比对与选择。

3.1 双主梁钢板梁+预制桥墩

（1）桥式布置。本方案所设计出的上部结构所选择的主要为双主梁钢板，钢板的组合梁的上部分结构也较为简洁且整体的吊装重量较轻。该种方式对全钢结构的桥面疲劳问题进行了规避，从而能够更为方便的做预制拼装工作，相较全钢结构费用经济性较高。本方案所选择建设的桥梁全长度为840m，上部采取左右两个布置方向，而下部则选择应用预制装配桥梁墩，并以钻孔灌注桩为结构建设基础，其具体的横断面布置情况如图1所示。

图1 双主梁钢板梁+预制桥墩方案横断面

（2）上部结构布置。在进行主梁设计时，建设四车道钢板组合梁桥的主梁应选择应用双主梁钢板组合梁，其设定的单幅桥面宽度应控制在12.5m左右，整个双幅宽度为25.5m。钢主梁标准间距为6.75m，钢梁与组合梁高度分别为1.75m与2.16m。

（3）下部结构与基础。选定作为预制装配化桥墩的立柱形式为双柱式，其结构的截面尺寸为1.4m×1.4m，高度则通常为5m～7m，其主要选择应用C40混凝土。建设的基础则应选择直径为1.5m的灌注桩，且需要在连接时预先凿除桩基的桩头以方便与矩形桥墩相连接，又因为在安装过程中需要保证对正精平，因此需要应用合适的过渡方式，一般选择浇承台，完成过渡后的下部结构如图3所示。

图3 预制装配化桥墩连接模型

3.2 T梁+预制大挑臂盖梁

本方案中上部结构建设采取T梁与预制大挑臂盖梁结合的方式，全长度为845m，其横断面结构图如图4所示。该种方案桥墩与盖梁之间的连接方式与方案1保持相同，均采取半灌浆套筒的连接形式之所以选择应用此种结构，目的是通过构建预制大挑臂结构能够最大限度地将墩身与盖梁、承台之间的接缝数量减少，是提升工程整体结构应用稳定性的重要基础（见图4）。

图4 标准横断面

3.3 T梁+桩柱式墩

该方案所应用的主结构为常规T梁，全长度为845m。下部结构采取钻孔灌注桩为基础配合常规现浇桥墩的建设方式，最终形成的桥梁横断面布置图如图5所示。

图5 T梁+桩柱式墩横断面

4 桥型方案选择与专家组评审

需要从经济、结构可靠性以及技术可行等角度对三种方案进行比较，最终在结合工程所处环境条件特点与专家组评审意见后，确定选择双主梁钢板梁配合预制桥墩的方式为本工程的桥梁建设方案。该方案不仅能够保证为预制拼装等施工工艺积累大量经验，也是形成一套完整的桥梁装配化设计、施工以及管理流程的重要基础，各个阶段所应用的技术由于已经较为成熟，最大限度地降低了技术手段应用不当而产生不良后果的风险。

5 钢板梁计算分析成果验证

5.1 模型计算

在对桥梁上部结构进行计算时，应首先选择应用midas软件进行结构分析，并同时利用梁单元离散结构构建空间内的杆系结构模型，其也是总体受力分析的前提条件。

5.2 参数计算

此工程的重要参数主要包括以下几点：第一是结构重要性参数1.1；第二是设计荷载等级为公路-Ⅰ；第三是混凝土的容重应控制在每立方米26kN，沥青铺装的容量应控制在每立方米24kN；第四是支座沉降量应设定10mm标准；第五是此类机构在建设时温度应控制在-15℃～38℃。

5.3 计算结果

混凝土桥面板纵向的计算结果主要包括两点，分别为承受能力极限状态与正常使用极限状态，最不利的位置为边跨中，其应力值与允许应力值分别为11.8MPa，22.4MPa；正常使用极限状态下，墩顶上缘为最不利位置，其正常使用极限裂缝宽度为0.12mm，允许值为0.15mm。

稳定计算方面，首先是成桥阶段：此时所形成的组合截面主要材料为钢梁与混凝土，需要综合考虑一期荷载、二期恒载与汽车荷载，并应设定恒载作为计算常量、汽车荷载为变量以更好的验证整体稳定性；其次是施工阶段：保证钢主梁的应用稳定性是提升结构整体安全性的重要计算部分。混凝土铺设完毕后，初期钢梁与混凝土结合不够使得其并没有形成一个完整个体，此时的钢主梁所处的受力状态并不稳定。因此在计算荷载时应重点关注混凝土自重与钢梁，并需要核验混凝土自重（变量）与钢梁的结构稳定性，从而获得准确的一阶失稳模态。经计算钢主梁稳定系数为3.9，与标准设计要求相符。

在计算刚度时应考虑主梁在长期使用下的长期效应影响，控制其最大的竖向变形为23mm＜L/500=70mm，以确保结构刚度数据与规范要求相符。

6 结束语

综上所述，明确桥梁设计原则并做好不同方案的比对筛选工作较为重要，并应综合考虑技术标准以及施工可行性等因素。由于初步设计方案并不完善，需要经常进行变化，作为设计人员应具有足够的实际设计与施工经验，制定科学合理的桥梁设计方案，以奠定我国交通事业的可持续发展基础。