大跨度桥梁设计在公路桥梁中的应用

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摘要：大跨度公路桥梁往往处于公路交通运输的枢纽和咽喉地段，为道路生命线工程的重要组成部分。文章对大跨度桥梁的桥梁体系选择、上部结构的设计和下部结构的设计进行了探讨

关键词：大跨度桥梁公路桥梁 桥梁设计

前言

大跨度公路桥梁往往处于公路交通运输的枢纽和咽喉地段，为道路生命线工程的重要组成部分。在桥型的比选上有相当的难度和复杂性，而桥梁的设置是否合理，桥梁设计方案是否合理，直接影响整条路线的工程造价及使用功能。因此在设计中必须协调好桥梁各细部构造与地形、地质之间的关系。

1 大跨度桥梁结构及其设计理论的发展

随着我国经济的发展,大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮。大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其它的一些新型的桥式,如全索桥,索托桥,斜拉2悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。近20 年来发展最快的大跨径桥梁是斜拉桥,而遥遥领先的是悬索桥。当前世界最大跨度的悬索桥是1998年建造的日本明石海峡大桥,其主跨度为1991m;世界最大跨度的斜拉桥是1999 年建造的日本多多罗桥,其主跨度为890 m;而中国最大跨径的悬索桥是江苏润杨长江公路大桥,主跨度1490m,在世界悬索桥行列中位居第三;中国最大跨径的斜拉桥为江苏南京长江第二大桥,主跨度628m,在世界钢箱梁斜拉桥中位列第三;湖北荆州长江公路大桥,主跨径达500 m,在世界预应力混凝土斜拉桥中位列第二。目前的桥梁技术已经能较好的解决现存问题,但是随着桥梁跨度不断增大,向着更长、更大和更柔方向发展,为了保证其可靠性、耐久性、行车舒适性、施工简易性和美观性及其统一还有大量的工作要作。

桥梁工程结构设计的过程也就是如何处理桥梁结构的安全性(可靠性、耐久性) 、适用性(满足功能要求及行车舒适性) 、经济性(包括建设费用和维修养护费用) 及美观性的过程。传统的桥梁结构设计,要求设计者根据设计要求和实践经验,参考类似的桥梁工程设计,通过判断去构思设计方案,然后进行强度、刚度、和稳定等各方面的计算。但由于设计者经验的限制,确定的最终方案往往不是理想的最优方案,而仅为有限个方案中接近最优的可行方案。桥梁结构优化理论是传统桥梁结构设计理论的重大发展,也是现代桥梁设计的目标。它是使所有参与设计计算的量部分以变量出现,在满足规范和规定的前提下,形成全部结构设计的可行方案域,并利用数学手段,按预定的要求寻求最优方案。

2大跨度桥梁的优化设计

局部最优虽不能等同于整体最优,但却有益于整体最优,并促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小,研究的深度因而能更透彻。目前对大跨度桥梁的局部结构优化研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面,主要有:

（1）加劲梁横截面的优化

大跨度桥梁的加劲梁主要有钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。根据目前全世界己建成的大跨度桥梁统计,跨度分别排在前12 位的斜拉桥和悬索桥,其主跨加劲梁形式大多为钢梁,而钢与混凝土结合梁和混凝土梁较少且跨度相对较小。

（2）斜拉索或主缆的动力优化

目前的大跨度桥梁主要有斜拉桥、悬索桥及其它的一些新型的桥式,如全索桥,索托桥,斜拉-悬吊混合体系桥等。这些桥式都有一个共同的特点,即都由缆索支承,且桥面较柔,属柔性结构,阻尼低。在外部激励下,拉索极易发生意想不到的大幅振动。如风雨共现时的风雨振现象,主梁和拉索之间耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振动等。拉索的大幅振动容易引起拉索锚固端的疲劳、降低拉索的使用寿命,严重时甚至对桥梁安全构成严重威胁。因此,大跨度桥梁的动力问题显得尤为重要。

（3）索力调整优化

大跨度桥梁的收缩徐变、非线性性条件等影响会随着跨度的增大越来越显著,但最终控制主梁应力和线形的直接因素还是斜拉索力和施工时的立模标高,因而确定合理的索力对斜拉桥的材料用量及结构安全性都有十分重要的意义。然而斜拉桥作为一个高次超静定结构,施工中又要经过体系转换,如何确定合理的成桥索力,同时又能保证施工中的塔梁受力均匀合理,是目前进行斜拉桥施工监测控制的主要目标。国内外对索力调整优化的研究进行得较早,发展得也较为成熟。目前,有关索力调整的理论主要有4 大类:

a) 指定受力或位移状态的索力优化,如刚性支承连续梁法和零位移法。

b) 无约束的索力优化,如弯距平方和最小法和弯曲能量最小法。

c) 有约束的索力优化,如用索量最小法。

d) 影响矩阵法。影响矩阵法能得到不同目标函数、不同加权的优化结果,又能计入预应力、活载、收缩徐变、约束优化等影响,既可用于确定索结构合理状态,也可用于施工阶段和成桥阶段的索力调整,实现了结构调整与结构优化的统一。影响矩阵法包含了前3 种优化方法,是目前最为完备的一种斜拉桥索力优化理论。

（4）索塔的结构优化

索塔的优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔太高会给施工带来困难,增加造价。而塔太矮会降低拉索的工作效率,增加主梁和拉索的受力。因此单独对塔高的优化不一定是经济的,而应和其它部分结合起来考虑。塔的受力合理性与塔的结构形式、缆索形式、缆索锚固形式及锚固点分布有关,也是一个值得研究的课题。

（5）斜拉索和吊索锚固的优化

斜拉索和吊索锚固的形式和锚固点的布置对索塔和主梁的应力集中问题和结构形式有一定的影响,应和索塔和主梁结合起来考虑。

（6）悬索桥锚锭的优化

悬索桥的锚锭有自锚式和地锚式。自锚式一般只有在无法使用地锚式时才采用。地锚的优化涉及到地质条件问题,目前研究较少。自锚式一般很少采用,研究也很少。

（7）桥墩及基础优化

对于大跨度桥梁桥墩和基础的优化,不论数量、位置、还是结构形式,一般都受地质条件的限制,应针对具体桥梁来考虑。因此,大跨度桥梁的桥墩优化设计一般都是独立的,受上部结构影响很小。

三、大跨度桥梁结构设计

上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区大跨度中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线梁来说，T梁为开口断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直线设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。对于大跨径桥梁，最好采用悬臂浇筑箱梁。但是对于中等跨径的桥梁，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布置均匀。桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或至少一梁作为分析对象。稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载，下面以连续梁为例进行说明。介于梁、墩之间的板式橡胶支座，梁体上的水平力H(车辆制动力和温度影响力等)是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的，它不但使墩顶产生水平位移，而且板式橡胶支座也要产生剪切变形。当梁体完成水平力的传递以后，梁体暂时处于一种固定状态，但由于轴力及墩身自重的影响，墩顶还会继续产生附加变形，这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐达到反向的状态。

四、结语

大跨度作为公路工程的一部分，很多方面需要探讨。大跨度方案的确定应遵循“安全、舒适、经济、美观”的原则，只有把握好规律，抓住侧重点，高速桥梁的布置和设计才能准确无误。