关于大跨度桥梁设计中的要点及优化对策

何 冲，王定强

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司武汉分公司，湖北武汉 430000）

0 引言

桥梁体积与正常桥梁相比较大，施工组织设计上相对于正常桥梁来说也较为复杂，可能会导致桥梁存在较多的安全隐患，因此，要保证大跨度桥梁设计更加严密和精准，减少后续施工过程中的设计变更次数。大跨度桥梁设计过程中，不仅需要对桥梁过渡节点等进行设计，还需要按照桥梁实际长度和宽度进行综合考虑，选择合适的结构，才能够使桥梁具有较强的承载力。大跨度桥梁设计过程中，设计人员应能够掌握设计要点，及时对大跨度桥梁设计中存在的问题进行分析，并做好优化对策，使大跨度桥梁可以达到现代桥梁建设标准。

1 大跨度桥梁设计要点

1.1 大跨度斜拉桥设计要点

拉索性桥梁在我国桥梁建设中应用较为广泛，拉索桥是大跨度桥梁建设中常见类型，具有结构稳定、承载能力强等优点，适合用于跨海大桥和城市立交大桥，大跨度斜拉桥就属于拉索性桥梁的一种，斜拉桥主要结构为主梁、塔柱、斜拉索等部分组成。斜拉桥在建设过程中需要根据建设需要组装各个机构。从而达到改变大跨度桥梁外观和内部结构的目的。斜拉桥建设过程中可以提高桥梁索面设计的重视度，根据桥梁所承载的最大重量限度设计合适的桥梁结构，为车辆通行提供保障[1]。如果大跨度桥梁所处位置较为特殊，应通过计算选择悬浮类桥梁。设计人员无论选择什么样的桥梁结构，都要保证桥梁自身的承载能力，需要按照桥梁投入使用后最大车流量进行计算设计，否则会导致桥梁承载能力较低，导致安全隐患的出现。大跨度斜拉桥梁具有自锚的特点，复杂环境下不使用锚定就能够使桥梁整体稳定性获得提升。斜拉桥在设计上存较强的复杂性，存在较多可能随时发生变化的因素。桥型选择和设计都存在一定的难度，如果桥梁建设位置处于跨度较大的河流峡谷，斜拉桥是大跨度桥梁建设的最佳选择。其主要原因是斜拉桥与其他桥梁相比具有较强的跨越能力，桥梁拉索弯矩分配更加均匀，使用过程中不会出现较大弯矩。桥梁整体结构较为小巧，可以保证桥下具有足够的空间。斜拉桥造型美观，能够满足不同桥梁的建设需求，具有较强的可塑性。设计人员在进行斜拉桥设计时，还需要考虑斜拉桥存在的不足，斜拉桥计算较为复杂，且计算过程中存在较多的变量，需要在保证经济合理的基础上计算出最终的桥梁形状，斜拉桥施工较为复杂，对于技术要求较高，必须严格设计施工方案，才能够保证桥梁竣工后达到建设使用要求[2]。拉索性桥梁如图1 所示。

图1 拉索性桥梁

1.2 大跨度悬索桥设计要点

悬索桥以拉力为主要受力，悬索桥为柔性结构。悬索桥完成施工前可确定主塔设计高度和高程，其他参数还处于不清晰或者是的未知的状态。施工过程中，所使用缆线、吊杆所受拉力都属于一次性拉力，设计人员无法在设计阶段预知。缆线受到线形环境影响，如果外部温度出现变化，会对出现线形与预期线形不符的情况出现，设计人员在进行悬索桥设计时，应能够选择合适的施工方案，对缆线张拉力进行严格控制，保证桥梁结构的稳定性。悬索桥施工前对于张拉力参数无法确定，设计人员需要通过模拟进行设计。悬索桥计张拉性能计算方法主要有两种，即解析法、数值仿真法。解析法与数值仿真法相比，解析法所用到代码较少，计算时间也较短，经常被用于悬索桥主缆的计算分析当中。虽然解析法与数值仿真法相比较为便利，但是解析法在计算过程中也存在一定的缺陷，解析法无法对悬索桥主塔内力和加紧梁内力进行计算，需要采取其他方式计算上述两个数值，但是会导致计算结果出现偏差。解析法计算悬索桥梁可将桥梁简化为线型主体，数值仿真也可以达到还原桥梁本身非线性的目的，与解析法相比，数值仿真更加接近于实际桥梁。数值仿真法实现了对桥梁三维立体化的还原，但是设计人员在应用其进行计算的过程中，需要考虑桥梁各个构件之间相互作用、相互影响。桥面模拟是桥梁模拟中的重要部分，能够实现对桥面的所方面模拟，为设计人员提供相关数据依据。数值仿真法也存在一定缺陷，数值仿真无法实现对桥梁结构的精准模拟，对于桥梁局部处理不够精确，需要反复进行计算。整个过程中重复性高，且需要较长的时间[3]。

1.3 大跨度拱桥设计要点

大多数桥梁都以拱桥为主，以石头为主要材料。随着建技术水平的不断提升，拱桥设计除了保证其功能性，美观性获得了较大提升，并在设计中逐渐融入现代化元素，使其形成了较高的观赏价值。拱桥适合用于跨径较小的桥梁当中，设计人员在设计过程中可对拱桥的拱肋进行调整，通过调整拱肋大小达到满足桥梁跨度的目的。大跨度拱桥主要以钢筋和混凝土为材料，拱桥能够与其他桥梁进行结合，使拱桥设计在大跨度桥梁中应用可行，还能够提高大跨度桥梁安全性能和经济效益。从结构上对拱桥进行分析，发现拱桥更容易受到跨境的限制，因此，设计人员在进行拱桥设计的过程中，应根据实际跨径进行设计，单管形式具有良好的性能，后续施工中能够达到简化施工流程的目的，但是抗弯性有限，多管式具有良好的抗弯性，主要是根据桥梁使用需求进行选择[4]。大跨度拱桥如图2 所示。

图2 大跨度拱桥

2 大跨度桥梁设计优化对策

2.1 局部优化设计方法

大跨度桥梁需要较高的弯矩力，设计人员在进行优化设计中，应做好桥梁横截面设计，达到提高桥梁弯矩力的目的。无论大跨度桥梁还是混合梁还是钢梁都需要进行全面性强化。桥梁材料选择上多会选择钢材，对于混凝土和钢筋使用较少，设计人员在设计中可将混凝土和钢筋材料作为主要桥梁材料，达到提高桥梁弯矩力的目的。大跨度桥梁建设主要以斜拉桥、悬索桥等形式为主，这两种桥梁形式都需要桥梁拉索进行支撑，但是容易受到自然因素和施工因素的影响，导致拉索强度降低，承载能力下降，设计人员在优化设计的过程中，应充分考虑影响拉索强度的自然因素和施工因素，并制定合适的措施进行解决，使桥梁承载能力获得提升。设计人员在开展设计工作的过程中，应对做好桥梁桥墩的优化设计，首先对桥梁整体建设需求进行了解，保证桥梁荷载能力的基础上，合理进行桥梁选型，选择合适的桥墩尺寸，从而使桥梁具备较高的稳定性和安全性[5]。设计过程中存在桥梁、桥墩数量等设置不合理，会导致桥梁稳定性受到影响，容易出现安全事故。悬索桥可分为自锚式、地锚式等两种类型，一般以地描式为主，如果无法使用地锚式会选择自瞄式，地锚式优化设计过程中需要设计人员考虑好地质地貌等因素，如果大跨度桥梁跨度较大，无论桥梁结构形式是什么，桥梁都会受到地质条件的限制和影响，设计人员在设计时需要从桥梁整体建设实际情况进行考虑。

2.2 上下部结构优化设计方法

大跨度桥梁上部结构设计的过程中，设计人员需要根据桥梁建设要求和标准进行，同时考虑施工可行性、科学性等因素。设计前期应在保证桥梁结构稳定性的情况下，对桥梁上部结构进行改善和优化达到提高桥梁性能的目的。例如，桥梁空心板结构技术在桥梁上部结构施工中应用，能够简化施工程度，还能够使桥梁更加具有稳定性。该技术虽然能够保证桥梁的稳定性，但是容易出现桥梁结构不协调，设计过程中应选择合适方式将桥梁结构进行连接，减少桥梁施工过程中存在的安全隐患。设计人员在设计过程中可以选择伸缩缝的形式，但是应控制伸缩缝大小，会严重影响车辆的行驶体验感。桥梁建设施工过程中对悬索桥中的锚旋进行优化，有利于提高桥梁的整体性能，从而达到消除桥梁安全隐患的目的，减少桥梁质量问题。优化斜拉桥上部结构的过程中，应要避免其出现位移或者是受力不均匀的情况，加大对桥梁非线性条件的考察力度。桥梁上部结构设计需要从实际的角度进行考虑，分析桥梁整体受力情况、技术困难以及资金投入。预制式拼装式多梁T 梁具有施工方便、工程造价低都能够特点，中等跨径是桥梁构造中最为常见的桥梁类型[6]。但是曲线梁当中，T 梁开口断面，梁平衡性能力与箱梁相比差距较大，容易导致上部结构与下部结构不平衡的情况发生。曲线桥弯度如果较小，T 梁即可使用直梁进行设计，设计人员后续还需要利用翼缘板对其进行调整，这样有利于减少弯扭效应，弥补T 梁受力后所产生的缺陷，提高上部桥梁结构的稳定性。

大跨度桥梁下部结构应能够达到支撑上部结构的目的，保证上部结构与下部结构外形上协调统一。柱式墩在桥梁结构具有较好的稳定性，施工过程中也较为容易操作，也可以保证桥梁美观性。如果桥梁为连续性钢构桥，需要设计人员把握桥梁上下部结构的刚度，减少上下部桥梁结构刚度，降低桥墩弯矩力，避免温度的变化产生内力对其产生影响。桥墩应避免使用较为柔性材料，否则会导致桥梁在使用过程中出现变形的情况，降低桥梁整体稳定性。连续梁结构和连续刚结构，桥墩之间稳定性互相影响，设计人员进行设计的过程中，应将整个桥梁的桥墩进行分析，使桥墩承载能力更加符合桥梁建设要求。下部桥梁结构设计过程中需要解决下部桥梁结构可能出现的承载力不足的问题，达到优化下部桥梁结构的目标。

2.3 墩台塔吊结构优化设计方法

大跨度桥梁施工过程中，可以使用吊塔进行翻模施工，固定好施工平台和模板，使后续工作能够顺利进行，需要施工人员拆卸下层模板，整个过程较为烦琐。为了使施工较为便捷，设计人员要将施工模板和施工平台分成两个个体，拆卸完下层模板再安装施工平台，这样可以避免施工步骤较为复杂，提高施工效率。选择墩台塔吊翻模施工技术能够使整个施工更加简单，不仅可以保证桥梁整体外观的美观性，还能够避免桥梁出现常见病害问题[7]。

2.4 整体优化设计方法

大跨度桥梁整天结构较为复杂，设计过程中存在较多的变量，所涉及的方面也较多，导致设计人员在对桥梁整体设计优化过程中还存在一定难度。设计人员在设计过程中可能会用到函数进行计算，但是在确定目标函数时较为困难，且在目标函数确定后计算也较为困难，设计人员不但要保证计算的精准性，还要能够提高计算速度，规定时间内完成大跨度桥梁设计。大跨度桥梁设计评价需要从整体方向进行考虑，不仅需要考虑桥梁施工等内容，还要观察后续桥梁投入运营和使用的情况，设计人员在对桥梁整体优化过程中还存在一定难度。设计人员在进行桥梁整体设计优化的过程中，从桥梁工程造价、动力性能、施工工艺以及桥梁结构等几个方面入手进行优化。

3 结语

综上所述，大跨度桥梁自身结构较为复杂，部分大跨度桥梁施工环境还较为恶劣，桥梁施工过程中为了避免出现各类问题，应做好大跨度桥梁设计，根据桥梁建区域实际情况，合理选择桥梁形式，使桥梁设计更加符合桥梁建设的需要。