公路桥梁中大跨度桥梁设计思考分析

文／栾坤鹏 烟台公路路网数据采集中心 山东烟台 264003

引言：

在社会经济发展过程中，不断增加大跨度桥梁的需求，因此我国加大力度研究大跨度桥梁。近些年我国不断扩大大跨度桥梁的建设规模，同时也在不断完善相关设计理论，但是在大跨度桥梁工程中，施工环境和人为因素等都会影响到设计效果，因此在大跨度桥梁中还存在一些问题。为了优化大跨度桥梁设计效果，设计人员需要加强创新大跨度桥梁设计理论，不断完善大跨度桥梁设计方案，保障大跨度桥梁建设效果。

1、概述大跨度桥梁结构设计中存在的问题

大跨度桥梁主要包括斜拉桥和拱桥以及悬索桥等，其中斜拉桥和悬索桥应用频率比较高，而斜拉桥发展速度比较快。近些年我国不断发展大跨度桥梁设计和施工技术，例如港珠澳大桥和青岛海湾大桥的规模和施工水平等已经达到世界先进水平，其中港珠澳大桥在2018年通车，全长达到5500m，而青岛海湾大桥结合应用斜拉桥和悬索桥，全长达到2670.7m。在社会经济发展过程中，将会逐渐增高大桥梁的跨度，因此相关人员需要继续探索大跨度桥梁设计和建设【1】。

在大跨度桥梁设计过程中，需要确保大跨度桥梁结构的安全性和经济性以及美观性，这是大跨度桥梁设计重要的考虑内容。针对原来的大跨度桥梁设计工作，设计人员需要结合自身工作经验和设计要求，并且需要综合类似工程设计内容，建立科学的设计方案，再通过合理计算强度和温度等要素，从而确定判断结果，但是利用这种方法确定的方案缺乏经济性和稳定性，因此当前设计人员还需要进一步优化大跨度桥梁设计工作。

2、不同类型大跨度桥梁的设计要点

2.1 大跨度悬索桥的设计

建设悬索桥可以提高桥梁施工水平，当前在山区大跨度公路桥梁建设过程中普遍利用悬索桥，因此悬索桥在我国具有良好的发展前景。悬索桥结构设计比较特殊，在实际设计过程中大跨度桥梁设计水平直接关系到桥梁承载力，需要引起设计人员的重视。悬索桥可以被分为中跨和边跨两部分，因此设计人员需要重视桥塔的位置，根据桥梁长度科学的确定桥塔位置。当前中跨和边跨设计比例通常选用2：1或者4：1，而桥梁垂直比主要是利用1：6或者：7。在设计过程中，设计人员可以结合桥梁施工要求合理调整具体的比例【2】。

2.2 大跨度拱形桥梁设计

大跨度桥梁拱形桥梁的基础是传统拱桥，设计人员融合传统拱桥基础和现代设计元素，并且引入各种新技术和新工艺等，保障大跨度桥梁拱形桥梁设计效果。对比传统拱桥，大跨度拱桥具有显著的优势，不仅可以明显缩短工期，同时可以提高整体承载力，并且利用相对低价的施工材料，此外大跨度拱形桥梁还具有显著的可靠性和稳定性。

大跨度桥梁拱形桥梁适用于浅层地质较好的山地和峡谷等地，设计人员根据拱桥承载形式，可以选用上承式拱桥和中承式拱桥以及下承式拱桥。从桥梁施工材料出发，当前常用的大跨度拱形桥梁包括钢筋混凝土拱桥和钢桁架拱桥等，其中比较常用的拱桥形式为钢管混凝土结合拱桥【3】。

2.3 大跨度斜拉桥设计

在大跨度桥梁中，大跨度斜拉桥具有较高的稳定性和承载力，此外还具有显著的跨越能力。大跨度斜拉桥主要包括主梁和索塔以及斜拉索三部分，主梁负责体用弹性支承力，具有较小的受力跨度。索塔是大跨度斜拉桥景观设计的重要部分，设计人员可以根据景观要求设计索塔为V形和倒Y形。在大跨度斜拉桥中，斜拉索可以向索塔传递主梁荷载，主要包括钢索和锚具以及减震装置等。因此在设计大跨度斜拉桥的过程中，设计人员需要综合考虑大跨度桥梁跨越情况，合理组合主梁和索塔以及斜拉索等。

在大跨度斜拉桥中主梁属于重要的一部分，发挥着荷载传递和支撑等作用。当前大跨度斜拉桥主梁包括叠合梁和混凝土梁以及钢梁等。利用叠合梁可以降低桥梁占用高度。而混凝土梁主要是利用混凝土材料，具有显著的承载力和刚度优势。在设计大跨度桥梁主梁的过程中，需要根据工程特征合理选择主梁形式，通过优化设计主梁材料和施工技术等，因此提高主梁设计水平【4】。

拉索是斜拉桥的主要支撑结构，在外力的影响下，拉索很容易发生振动问题。例如在风雨的影响下，拉索将会产生耦合振动和自激振动，同时会产生连锁振动中应，从而缩短拉索结构使用寿命，甚至会影响到桥梁安全性。因此在优化设计拉索的过程中，需要注重设计动力结构。

大跨度斜拉桥会改变非线性条件和收缩徐变，因此需要合理确定索力，因此提高整个桥梁结构的安全性。在桥梁索力设计中，设计人员可以利用定位仪开展索力设计工作，并且综合零位移和支撑连续墙等方式实施调整。在约束索力设计过程中，设计人员需要遵守索量最小原则，设计没有约束的索力，可以利用弯矩最小方法。设计人员利用影响矩阵法的过程中，在不同加权条件下开展计算工作，保障目标函数的准确性。同时根据数据结果准确的评估桥梁索结构，并且方便在实际施工中调整索力。

在设计索塔的过程中，需要综合工程要求和施工条件等科学的确定塔高，要注意严格控制索塔高度，如果索塔较高将会增加整体施工难度，同时还会增加整体工程造价。如果索塔过低将会降低整体工作效率，同时还会硬性奥拉索受力【5】。

3、大跨度公路桥梁优化设计措施

3.1 整体优化设计

因为大跨度桥梁施工环境比较特殊，因此需要保障桥梁设计工作的安全性。大跨度桥梁结构的承载力和耐久性等方面都非常复杂，因此增加了大跨度桥梁设计的难度。因为大跨度桥梁通常处于复杂的地理环境，因此地质因素和材料因素等都会影响到大跨度桥梁模拟计算结果，因此增加了大跨度桥梁施工难度。因此设计人员需要采取针对性的措施，提高桥梁结构的耐久性和安全性，在整体角度优化设计大跨度桥梁，有利于降低整体施工的复杂性，同时可以降低施工成本。

在整体结构优化阶段，可以利用容许应力设计方案。近些年我国不断发展各种设计理论，通过利用概率法和半概率法以及全概率设计方法，有利于提高大跨度桥梁结构的稳定性。描述桥梁结构不确定因素，可以利用定量分析方法确定大跨度桥梁安全性指标和竞技性指标，从而满足桥梁安全性和竞技性需求，从而实现大跨度桥梁设计目标。为了保障大跨度桥梁的实用性，还需要结合实际情况建立大跨度桥梁结构模型，通过分析建立的模型，可以优化整体大跨度桥梁结构。在实际施工中需要根据大跨度施工要求选择算法，并且保障分析结果的准确性，因此提高大跨度桥梁设计水平。当前在大跨度桥梁设计中可以利用数学规划法和最优准则法等，通过合理选择优化算法，有利于保障大跨度桥梁效果【6】。

3.2 局部优化设计

近些年在大跨度桥梁设计中不断投入利用各种新技术和新材料等，有利于进一步完善桥梁体系，同时可以提高大跨度桥梁的承载力，延长整体使用寿命。在大跨度桥梁局部优化过程中，需要优化设计桥梁受力构件和易损构件等，优化大跨度桥梁的跨越能力，降低整体施工成本。

我国不断提高钢材产能，因此降低钢材价格，而钢材具有较轻的重量，同时具有显著的抗拉强度，因此可以在大跨度桥梁设计中推广应用。利用钢结构梁体或者钢混叠合梁体代替钢筋混凝土结构，可以降低大跨度桥梁梁体的自重，同时在降低梁高的过程中还可以增大桥梁跨度。例如在大跨度斜拉桥和悬索桥中可以优化设计加劲梁结构。

通过深入研究大跨度桥梁跨径比和垂直比等，并且积极探索大跨度桥梁自振频率和结构共振理论等，同时研究利用各种阻尼材料，可以为大跨度桥梁优化设计提供更多的参考理论，奠定坚实的技术基础【7】。

3.3 上部结构优化

3.3.1 预制拼装多梁式T梁结构

在大跨度桥梁设计过程中广泛利用预制拼装多梁式T梁，对比整体式箱梁，预制拼装多梁式T梁结构施工过程更加简单，同时具有较低的施工成本。因为利用具备开口断面的下梁，因此这一结构缺乏平衡受力和抗扭能力，而曲线梁中弯曲作用力不利于平衡公路桥梁下部结构受力性。因为T形梁属于一种直梁设计模式，可以利用翼缘板宽度线性调整平面，利用利用T梁桥可以控制弯扭作用力。

在设计T梁桥的过程中，如果没有平衡直线部分的静荷载和动荷载，将会产生位移曲线。因此设计人员在设计大跨度桥梁的过程中可以利用测量连接方式，优化大跨度桥梁结构性能，例如可以选用悬臂注入箱式梁【8】。

3.3.2 简支空心板结构桥型

结构设计是大跨度桥梁工程的基础，在选择上部构造形式的过程中，设计人员需要综合大跨度桥梁后续施工情况和受力特点等，保障上部构造形式的科学性。而简支空心板结构桥型具有显著的优势，并且相关施工技术不断完善，操作过程也非常简单，但是简支空心板结构桥型也存在不足之处，因为梁高较高，因此减小了跨径，因此影响到跨径和梁高之间的比例合理性，还不利于保障整体结构的美观性。此外需要利用较多的高墩，因此在桥面很容易产生伸缩裂缝，影响到车辆行驶的舒适度。此外通常是在地形平缓的区域利用简支空心板结构桥型，对于地形条件的要求比较严格。

3.4 下部结构优化设计

大跨度桥梁下部负责支撑桥梁上部结构，因此突出了下部结构的重要性，同时需要协调下部结构和上部结构，突出大跨度桥梁的整体性。而下部结构的主要形式为桥墩，因此在大跨度桥梁设计过程中，要注意优化设计桥墩。

桥墩主要包括空心薄壁墩和柱式墩以及双臂壁墩等，在桥梁中广泛利用柱式墩，这种类型具有较多的优势，例如自重较轻，同时可以保障结构稳定性，有利于顺利开展施工，并且保障外形的美观性。在连续刚构桥建设过程中，为了控制上下部的温度内力，可以减少负弯矩，同时可以减少桥墩弯矩，同时可以降低下部结构的刚度比。但是不能过度减少桥墩的刚度，否则将会引发结构变形问题，不利于正常使用结构，甚至会降低桥梁结构的稳定性。在高墩选择阶段，不仅需要计算承载力和极限状态，需要分析高墩的稳定性，确定桥墩是否会影响到相邻桥墩的稳定性，因此在桥墩设计过程中，需要综合分析整个桥梁，确保合理的设计桥墩。

优化设计大跨度桥梁下部结构，设计人员需要合理选择结构形式，同时需要根据勘测设计规范明确施工技术要点。只能对传统的下部结构施工，连接施工模板和施工平台为一个整体，通常是在早期施工中利用这种方式，但是进入到后续施工阶段将会提高施工难度。施工 技术不断发展，在大跨度桥梁下部职工开始利用翻模技术，要求施工人员在在模板支架上设置施工平台，并且利用塔吊吊装下层模板和平台，随后将下层模板拆除，并且安装和测量上层模板平台。通过充分利用翻模技术，可以有效分离施工模板和施工平台，在桥梁每隔5m就要建设新的施工平台，不仅可以提高整体施工效率，同时可以提高实际施工的灵活性。因为是在支架坐标系中建设墩台塔吊的工作区间，并且始终进行直线运动，因此利用翻模技术可以简化整体施工流程，提高整体墩台施工质量，避免发生扭矩和裂缝。此外在桥梁混凝土墩台中利用翻模技术，还可以提高整体结构的美观性【9】。

4、工程案例

4.1 工程概况

本工程为高墩大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工项目。该桥的上部结构利用连续刚构桥，主跨跨径为260m，引桥上部结构利用利用50m预应力T梁和30m的预应力简支箱梁。在主桥设计过程中，在墩顶薄壁箱型墩薄壁的对应位置设置2.5m厚度的两个横隔板，根据箱梁中心线和单箱单式箱形截面设计梁高和主梁，并且根据三向预应力实施箱梁设计。箱梁顶板宽度为10m，底板宽为5m，翼缘板中设置2.5m的悬臂。

4.2 设计高墩大跨度预应力混凝土连续刚构桥上部结构

4.2.1 设计和选择施工材料

设计上下部支座的过程中，利用支座可以有效保护上部结构。该工程利用VLM15作为预应力锚具，并且配套利用千斤顶。预应力管道lyo9ng预埋金属波纹管。桥面防水层和铺装层选用无机材料防水层和沥青混凝土。引桥选用预应力简支箱梁和预应力简支T梁，选择C50的混凝土。在预应力简支箱梁和预应力T梁中选择C40的钢纤维防水混凝土。

4.2.2 结构设计

①主梁横断面：主梁利用C50的混凝土，选用HRB400钢筋，钢筋直径在12mm以上。设计简支梁间距为3m，翼板和横隔板的湿接缝设计宽度为0.6m。T梁主梁的间距设计为2.451m，并且设计了两种预制宽度，为别是1.8m和1.9m，在翼板和横隔板之间设计0.598m的湿接缝。选用0.2m厚度的T梁肋板。

②主梁横隔板：简支箱梁需要在梁端设置一道横隔板，长度为50m的简支T梁需要设置9道横隔板。为了提高梁的整体性，在横隔板连接过程中需要利用现浇湿接缝方式。

③伸缩缝：伸缩缝使用浅埋式伸缩缝，根据桥梁连续结构设计简支梁。设计人员需要根据桥面水的标准设置桥面泄水管。在外梁翼缘板预制阶段需要参考预留孔洞。

4.2.3 施工要点设计

通过控制张拉力和伸长值，可以有效控制预应力钢绞线的张拉。此外需要结合梁体混凝土施工要求，施加的预应力要超过梁体混凝土强度的85%。同时需要维持4d以上的养护时间。最后需要根据设计图和相关设计规范开展张拉工作，保障张拉效果的对称性。

在简支梁张拉过程中，设计需要关注桥梁拱度，在实际张拉阶段严格控制弹性上拱值和计算值。完成张拉施工之后需要落实封锚施工，避免在预制梁上拱产生较大的收缩差。

结束语：

社会经济不断发展，也逐渐完善我国的交通网络，而大跨度桥梁是交通体系的一部分，因此需要注重大跨度桥梁设计工作。在大跨度桥梁设计过程中，设计人员需要结合实际工程特征，优化设计大跨度桥梁结构，从而保障大跨度桥梁整体施工效果。