探析大跨度桥梁设计的设计要点与优化策略

赵中成

(山东省公路设计咨询有限公司， 山东 济南 250102)

0 引言

虽然目前我国的桥梁设计水平与过去相比已经得到了一定程度上的提升，并且已经具备解决大跨度桥梁在设计运行过程中存在的问题的能力，但是随着我国经济的发展，桥梁对跨度的需求渐渐提高，要想使大跨度桥梁能够长期、安全、稳定地投入使用，这需要桥梁设计人员深入探析桥梁的设计要点，制定科学的设计方案，并且在工程建设期间随时对桥梁结构进行优化，从而保证大跨度桥梁在正式投入运行后能长期保证其安全性和稳定性。

1 对大跨度桥梁设计要点的分析

由于目前我国桥梁施工技术比较成熟，大跨度桥梁的结构形式多种多样，主要有斜拉桥、悬索桥、拱桥以及其他一些比如全索桥、索桁桥等新型桥式结构。但是斜拉桥、悬索桥和拱桥与其他桥式相比，在技术熟练度和结构安全性方面具有极强的优势，这使其成为大跨度桥梁发展的主流。

1.1 大跨度斜拉桥的设计要点

大跨度斜拉桥与其他桥梁结构相比，其优势在于跨度非常大的同时稳定性非常高，而且具有较强的承载力，突破了以往梁式结构桥梁跨越能力不足的限制。并且由于大跨径斜拉桥的构成结构可以分为简单的三部分（主梁、斜拉索、塔柱），设计人员在斜拉桥的设计环节可以根据三部分之间不同的组合关系进行再次组合，设计出形状、结构各不相同的桥梁。需要注意的是，在设计桥梁的索面时应当根据桥梁所能承受的最大力度将索面设计为平行索面或者双斜索面。由于斜拉桥的拉索自身具备“自锚”特征，因此在河流或是峡谷地带施工时并不需要固定桥梁的锚碇，因此大跨径斜拉桥普遍设计使用在跨径200～800m的区间范围内。

1.2 大跨度悬索桥的设计要点

由于我国的内陆地区多山，山区的道路建设常常需要借助大跨度桥梁实现对道路的连结。因此悬索桥设计成为了广泛应用于我国山区的大跨度桥梁结构设计类型。悬索桥桥梁结构主要由塔柱、主缆、锚碇和加劲梁等部分组成，对我国山区跨径比较大、高度非常高的环境非常适应，比如我国的南京长江大桥、润扬长江公路大桥、舟山西堠门大桥都是世界闻名的大跨径悬索桥。目前常规的悬索桥设计通常在桥梁两端设计塔柱用来支撑桥身，为了保证塔柱能够具备良好的承载力，一般会用钢筋混凝土材料，固定桥梁两端的悬索连结桥梁和塔柱，整个悬索桥被分为一个中跨和两个边跨共三个部分，边跨的具体长度应当根据锚固的位置和具体工程的成本确定。在一般情况下，设计人会根据塔桥的高度调整边跨与中跨的长度比例。

1.3 拱桥的设计要点

拱桥在我国桥梁建筑史上是使用时间最长的一种类型。过去由于技术和材料的限制，留存于世的拱桥主要以石拱桥为主。但在现代科学技术的支持下，以钢筋结构为主体和以钢筋混凝土结合传统石拱桥的设计渐渐成为了拱桥设计主流。拱桥的与其他桥梁相比，施工过程简单、工期短、承载力非常高、实用性和经济性又比较强，所以我国山区在进行大跨度桥梁设计时常常把拱桥作为首选的设计类型。

虽然拱桥与斜拉桥、悬索桥相比跨度不够，但是在跨径相对较小的桥梁施工中却有着其他桥梁无法比拟的优势。因此，拱桥结构常被应用于跨径短，且地形呈“V”型的峡谷地带。如果拱桥建设中选择钢筋混凝土为主要材料，那么拱肋通常就会被分为实体拱肋和桁式拱肋两种形式。在采用实体拱肋时应当根据桥梁所需跨径的大小选择单管或者多管形式。需要注意的是，单管实体拱肋由于抗弯性不好，只能应用到桥梁跨径小于80m的拱桥施工，而多管桁式拱肋因为在管中插入了直径较小的钢管，其制成的拱肋抗弯能力被大大提高，因此可将其应用于跨径超过100m的拱桥中

2 大跨度桥梁设计的优化策略

虽然桥梁结构优化的理论早在19世纪就出现了，但是却很少有这方面的研究出现。在20世纪60年代，国外开始有学者和工程师对桥梁结构设计优化策略进行研究，国内起步稍晚，在20世纪70年代末才有与桥梁结构设计优化的研究出现。

2.1 局部优化

（1）对加劲梁的横截面进行优化

叠合梁、钢梁、混合梁以及混凝土梁是加劲梁的组成部分，但是就目前我国已经建成的大跨度桥梁来说，其往往将钢梁作为主跨梁形式，混凝土和钢梁结合使用的形式非常少见。

（2）对斜拉索进行优化

大跨度桥梁在建设过程中常常采用斜拉桥或悬索桥这两种桥式，二者的桥身都需要拉索进行支撑。而且由于外部环境刺激无法避免，拉索很容易发生振动，影响桥梁的稳固。

（3）对桥墩和桥基础进行优化

桥墩和桥基础作为桥梁的重要支撑结构，一旦因为所处位置不当、数量不合理或者结构不稳固使其自身稳定性受到影响，就会对桥梁整体的稳固性和耐久性产生巨大影响。因此设计人员在对桥墩和基础进行设计时，应当对桥梁整体进行综合考量。

2.2 整体优化

由于大跨度桥梁的结构特点非常复杂，设计的标量较多，在设计时需要考虑很多方面的内容，使得要对大跨度桥梁整体设计进行优化非常困难。所以在目前的研究成果中有关对大跨度桥梁进行整体优化的内容非常少，但是依托桥梁建设技术的不断提高，对大跨度桥梁进行整体优化是一定能够实现的。

2.3 对桥梁上部结构的优化

在对桥梁上部结构形式进行选择时，应当以桥梁的实际使用情况为根本，全面细致地将桥梁承受力、施工工艺和技术难度和经济性列入考察范围内。这里以简支的空心板结构桥型举例：这种桥型施工简便、工艺成熟，但是由于其跨径较小，常常会受到桥梁跨径需求带来的局限，容易导致跨深沟桥梁的高跨比例不够协调统一。而且由于其不协调、不统一导致的上部结构无法和路线较小的半径和超高的线性相符，使得在高墩数量渐渐增加后，桥面的伸缩缝也逐渐增多，缩短桥梁使用年限。

2.4 桥梁墩台塔吊结构优化

传统的翻模施工技术是通过对塔吊的利用，将施工模板一层层吊起后再由施工人员进行施工。而桥梁的墩台塔吊翻模施工技术则是通过分离施工模板与施工平台的方式使桥梁每隔5m处就可以产生一个新的施工平台，这样便捷的施工方式可以简化桥梁的施工过程，避免建造出来的墩台桥梁的模板出现裂缝或是平台偏扭，是美化桥梁混凝土墩台外观的好办法。

3 结束语

我国经济的持续发展，在未来会对我国的道路交通建设事业发展水平提出更高的要求，这实际上是我国道路交通建设水平进一步提高的机遇，也是推动我国桥梁建设方面不断进行开拓创新的动力。在进行大跨度桥梁设计的过程中，要求设计人员能够深入探究把握桥梁设计的要点，综合桥梁建设工程的实际情况，对桥梁结构进行合理的优化，这才是提高我国大跨度桥梁设计水平，推动我国桥建事业稳步发展的根本手段。

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