公路桥梁中大跨度桥梁设计研究

向鑫 商耿 黄蔚源 黄晶晶 李永波

湖北省交通规划设计院股份有限公司 湖北武汉 430050

摘要：随着经济和科技水平的大力提升，越来越多的大跨度桥梁建设并投入运行，缩短了人们的出行距离，方便了人们的生活。但大跨度桥梁的设计具有复杂性和高难度，因此需制定出科学、合理的大跨度桥梁设计方案，保证公路桥梁的施工质量，提高桥梁的安全性。

关键词：公路桥梁；大跨度；桥梁设计

引言

随着中国经济的发展，长桥的建设在20世纪末达到了顶峰。大跨径桥梁的类型多种多样，包括斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥和全缆桥、电缆桥，固定的两个悬索桥混合系统桥、电缆桁架桥和其他新型桥。世界上最大的悬索桥是建于1998年的明石海峡大桥（主跨1991m），以及世界上最大的斜拉桥日本塔塔拉桥（主跨：890m），建于1999年。悬索桥是伦阳市长江上的公路桥梁，主跨1490m，居世界悬索桥第三位。湖北荆州长江公路大桥是世界上第三座主跨为500m的斜拉桥和第二座预应力混凝土斜拉桥。当前的桥梁技术已经能够解决现有问题，但是随着桥梁跨度的不断增加，它们正在向更长，更大和更灵活的方向发展，以确保稳定性、耐用性、易操作性和易构造性。

1大跨度桥梁的结构以及设计中存在的问题

大跨度桥梁的主要形式包括斜拉桥、拱桥以及悬索桥，其中应用最广泛的是斜拉桥及悬索桥，斜拉桥的发展速度最快，而悬索桥是桥梁领域发展的领头羊。近年来，我国建成了很多跨海大桥，其规模、长度以及施工水平都达到了世界领先水平，如港珠澳大桥和青岛海湾大桥等，前者在2018年通车，全长达到5500m，长度为斜拉桥世界之最，后者则是斜拉桥和悬索桥巧妙结合起来，全长达到2670.7m。随着社会经济的快速发展，桥梁的跨度将朝着更长、更大、更柔的方向发展，因此在大跨度桥梁建设与设计方面仍然需要不断的探索研究[1]。在桥梁结构的设计过程中，如何使桥梁结构更加安全、舒适、经济以及美观，是必须进行深入考虑的问题，也是设计桥梁结构时需要重点考量的要素。在以往的桥梁结构设计中，设计者是凭借自身的实践经验和相应的设计要求，将类似的桥梁设计作为参考，对设计方案进行构思，再通过对强度、稳定等一系列要素进行合理计算，得出最终的判断结果，但这样得出的最终方案不论经济性还是稳定性都不一定是最优方案，如何对桥梁结构进行优化成为了设计工作者现阶段急需攻破的重点难点。

2大跨度桥梁的优化设计

2.1索塔的结构优化

太高的塔会增加施工难度并增加工程成本。如果塔架太低，电缆的工作效率将降低，作用在电缆和主梁上的力也会增加。因此，仅优化塔架的高度是不经济的，需要与其他部件一起考虑。同时，为确保长桥设计的合理性，有必要注意塔架的结构形式，电缆的固定形式，塔架力的合理性，电缆的形式以及锚固点的分布。

2.2动态优化斜拉索或主缆

当前，在公路桥梁的设计和建造中，在大跨度桥梁的设计中出现了许多新的桥梁类型，例如全缆桥，长悬架混合动力系统等。这些新型桥具有共同的特征。即，它们全部由电缆支撑，并且桥面板相对柔性，从而使其成为柔性结构。在敷设电缆的过程中，由于外部激励会产生大的振动。例如，当有风和雨时，风和雨的振动现象，电缆和主梁之间的耦合振动导致电缆的数据共振和磁激励振动。但是，电缆的大范围振动很容易在电缆的固定端引起疲劳，从而缩短了电缆的使用寿命。如果情况严重，甚至可能威胁到桥梁的安全。因此，在大跨度桥梁的优化设计过程中应注意动力问题的设计。

3大跨度结构设计在公路桥梁中的应用

3.1简支空心板结构桥型的应用

大跨度桥梁工程实践中，结构设计是整个工程实施过程中的重要内容，上部构造形式的选择需要考虑公路桥梁的具体施工状况，需要综合考虑桥梁的受力特点、施工技术水平以及经济性，选择最为合适的上部构造形式。简支空心板结构桥型的优势较为明显，通过长期的实践经验可以看出，其施工技术十分成熟，施工方案也较为简单，操作方便，但也具有局限性，由于此种桥型的梁高相对较高，因此跨径较小，从而造成跨径与梁高之间的比例不协调的问题，在美观度上有所欠缺。

此外，还会增加高墩的数量，使桥面极易出现伸缩裂缝，从而对桥梁的行驶条件造成影响。因此，简支空心板结构桥型适用的地形条件是填土不高以及地形平缓的区域，一般在小、中、高桥中应用比较多[4]。

3.2预制拼装多梁式T梁的应用

预制拼装多梁式T梁大多应用于中等跨径桥中，不仅具有施工方便的特点，且相对于整体式箱梁来说，其工程造价更低，在公路桥梁领域得到了广泛的应用。由于下梁是一种开口断面，抗扭能力和平衡受力能力较差，而曲线梁中弯矩产生的作用会致使建筑的下部不平衡。在弯曲程度较小的曲线桥中，曲线T梁桥能够在一定程度上减轻其弯扭作用，由于T梁桥采取的是直梁设计，可利用翼缘板的宽度来调整平面线形，从而达到目的。

在实际设计中，此种方式还可以弥补曲线T梁桥在受力方面和施工技术方面的不足。即使曲线桥在直线设置部分会导致恒载以及活载不平衡和存在变位曲线的问题，但相较于曲线梁而言，则影响较小。因此，在设计大跨度桥梁时，可有效结合横向联系的方法，提高公路桥梁整体性。当桥梁的跨径达到一定程度时，采取悬臂浇筑箱梁最为合适。中等跨径桥所需的造价成本相对较高，不论使用何种箱梁桥施工方法，都难以避免造价过高的问题，但是预制拼装多梁式T梁相较于其他类型成本最低，因此在经济性方面具有领先优势。

3.3桥梁下部结构的设计

桥梁上部结构的重量需要依靠下部结构作为支撑，下部结构的作用与重要性不言而喻，同时，下部结构也应与上部结构的外形相协调，使桥梁在视觉观感方面的整体性更强。桥墩是下部结构的主要表现形式，如上文所述，桥墩在设计大跨度桥梁中具有重要作用，下文将对桥墩的具体应用进行详细说明。桥墩可以分为空心薄壁墩、柱式墩、双薄壁墩和其他形式的桥墩，其中，柱式墩在桥梁中应用范围最为广泛，具备的优点较多，如自重轻、结构稳定、施工方便迅速、外形美观等。在建设连续刚构桥时，为控制好上下部结构刚度比例，需要适当减少下部的刚度，从而减少由于温度变化而产生的内力，使负弯矩降低，同时也要减少桥墩的弯矩，有效控制下部结构刚度比。

但桥墩的刚性不可减少过多，否则容易产生结构变形，不利于正常使用，甚至会影响桥梁整体结构的稳定性。在选择高墩时，不仅要验算其承载力和极限使用状态，还要对其稳定性进行分析，由于桥墩会对相邻桥墩的稳定性造成一定影响，因此在设计桥墩时，应将整个桥梁作为分析对象，保证桥墩设计的合理性。

结语

在我国交通运输行业快速发展的过程中，公路桥梁建设有着至关重要的意义。公路桥梁本身是我国公路交通体系的重要组成部分，对我国交通运输事业的发展有积极的推动作用。随着我国公路桥梁建设技术的不断发展，大跨度桥梁建设数量和规模不断增加，促进了我国社会经济的发展。

因此，在大跨度桥梁建设过程中，人们要掌握大跨度桥梁设计要点，根据不同类型的大跨度桥梁结构对大跨度桥梁设计进行优化。这样才能够提高大跨度桥梁设计水平，保证设计方案的科学性与合理性，为后续施工提供可靠指导，提高大跨度桥梁建设水平，从而使大跨度桥梁在我国公路运输事业中发挥重要作用。

参考文献：

［1］周明星.公路桥梁中大跨度桥梁设计要点分析［J］.城市建设理论研究，2019（12）：125.

［2］李宇锋.公路桥梁中大跨度桥梁设计研究［J］.交通世界（建养机械），2016（10）：96-97.

［3］王子健.大跨钢梁斜拉桥索梁锚固结构空间受力行为及设计优化研究［D］.成都：西南交通大学，2015.

［4］谢小华.公路桥梁中大跨度桥梁设计研究［J］.建材发展导向，2017（14）：128.

［5］周丹.公路桥梁中大跨度桥梁设计分析［J］.中国科技投资，2018（26）：43.