不同类型大跨度公路桥梁设计要点及优化分析

黄超

摘 要：为了提高大跨度公路桥梁结构的质量，对大跨度拱桥、大跨度斜拉桥、大跨度悬索桥等不同类型的大跨度公路桥梁设计要点进行了分析，并从大跨度公路桥梁结构局部优化、整体优化、上部结构优化和下部结构优化等方面对大跨度公路桥梁结构的设计优化方法进行了分析。实践表明，科学合理的优化方案可确保大跨度公路桥梁结构的设计质量，提高公路桥梁工程的使用寿命。

关键词：大跨度公路桥梁;设计;优化

0 前言

为适应地区交通需求，大跨度公路桥梁建设项目不断增多。虽然当前大跨度公路桥梁建设中各项设计理念、设计方法有了改进和完善，但是考虑到不同地区地形、交通荷载要求及技术难题等因素，在开展大跨度公路桥梁设计的过程中仍存在一定的薄弱环节。面对各种造成“建设难”的问题，设计人员应当从公路桥梁设计之初入手，通过设计方案的优化调整，使得当下设计方案满足工程建设的要求。

1 不同类型大跨度公路桥梁设计要点

大跨度公路桥梁建设中主要的形式包括拱桥、悬索桥及斜拉桥等，在近年我国的大型公路桥梁建设中斜拉桥有着许多身影，也是公路桥梁建设中发展最为迅速的技术。在未来的发展预测中，公路桥梁的跨度必然会更大、更长、更柔，这就需要根据不同类型公路桥梁总结好设计要点。

1.1 大跨度拱桥设计要点

拱桥在我国的公路桥梁建设进程上有着悠久的发展历史，但是近年来随着公路建设事业的迅猛发展，大跨度拱桥的建设项目相对减少，其难以满足更加复杂地形及跨度更大的建设要求。大跨度拱桥的跨度设计需要在500 m以下，故而城市的公路桥梁及山涧宽度较窄的情况中会有应用。在设计时可以通过有限元软件对公路桥梁结构设计好计算模型，根据支架应力将公路桥梁各部位应力、变形及强度等指标进行确认，保证拱桥支架等部位设计的合理科学。钢筋混凝土在拱桥结构施工中的融合其承载力较强，施工作业相对简单，故而有着广泛的应用。

1.2 大跨度斜拉桥设计要点

通常来看，大跨度斜拉桥在间距200 m～800 m的河流、河谷及山涧的跨越公路桥梁建设中会有着优先的考虑应用。大跨度斜拉桥设计中，稳定性因素、承载力因素以及整体跨越能力都是首要关注的内容，这也是斜拉桥形式的主要优势。而主梁、索塔以及斜拉索是应当着重设计的部分。斜拉桥的主梁给整体结构提供了弹性支撑力，并且其受力的跨度较小。

作为斜拉桥的主要部件，主梁对公路桥梁整体的荷载及支撑能力意义重大。当前应用较多的主梁为钢梁，钢梁是基于钢材料制作成的主梁，混合梁应用相对较少;索塔是实现斜拉索拉起主梁的重要模块，在设计中通常会进行一些景观造型方面的考虑，多选择倒Y型或V型。索塔的设计中高度设计必须充分考虑综合因素，包括施工条件、施工难度、整体造价、工作效率等;斜拉索连接着主梁和索塔，是实现荷载传递的重要媒介，一般在设计中由钢索、锚具以及相应的减震配置构成。作为公路桥梁中的柔性结构，在外力作用下必然会发生振动情况。例如恶劣天气情况下斜拉索的振动会导致连锁反应的出现，包括破坏锚具、缩短斜拉索寿命甚至影响公路桥梁安全系数等，故而斜拉索的设计必须考虑好动力设计。在不同情况下的斜拉桥设计应当基于建设环境从主梁、索塔和斜拉索等部分进行重点设计。基于各部分关系的设计出不同性状、结构的公路桥梁，保证其固定能力、悬浮能力以及支撑能力。

1.3 大跨度悬索桥设计要点

悬索桥设计的发展标志着公路桥梁整体建设的发展水平。在大多数的高山地区公路桥梁项目中，悬索桥有着广泛的应用。大跨度悬索桥的设计应当重点关注桥塔部分，桥塔的设计情况对悬索桥荷载能力有着直接影响。在多数的大跨度悬索桥设计中，会选择两个桥塔的形式结构，两个桥塔可以将公路桥梁整体分成边跨和中跨。桥塔的位置设计需要重点研究，一般边跨和中跨的设计比值控制1：4或者1：2，垂直比在1：6～1：7。各种比例确定要根据建设场地情况进行优化计算。

2 大跨度公路桥梁设计优化方法

2.1 局部优化

大跨度公路桥梁设计中的局部优化可以实现公路桥梁整体性能的有效提升，局部优化可以实现对公路桥梁设计中部分短板的弥补提升整体公路桥梁的性能。另外，局部优化相对容易实现，其变量考虑明显少于整体优化，且研究深度能够更加清晰。当前局部优化的设计可以渗透到大跨度公路桥梁结构的各个部位环节，大致包括斜拉索动力优化、加劲梁横截面优化、索塔结构优化、锚固优化、悬索桥锚碇优化、桥塔优化等。

2.2 整体优化

大跨度公路桥梁的结构都非常复杂，设计中应用到的变量繁多，在建设过程中也会有许多变化因素，因此进行大跨度公路桥梁的整体优化設计具有较大难度。这种难度在具体设计中表现在优化函数的建立及多元化变量下最优解的计算等方面。大跨度公路桥梁设计的评价主要还是看整体设计成果，从当前的设计来看，设计中的整体动力性能、结构性能、景观协调及施工可行性特点都是整体优化的目标。

2.3 上部结构优化

2.3.1 预制拼装多梁式 T 梁结构

预制拼装多梁式T梁在较大跨度公路桥梁设计中有广泛应用，该结构同整体式箱梁相比，具有施工作业简单易行且造价更低的优势。因其下梁为开口断面形式，所以平衡受力及抗扭能力都相对弱势，但曲线梁中弯矩带来的作用力会影响公路桥梁下部结构的平衡。因T梁桥是直梁设计的模式，能够靠翼缘板的宽度进行平面的线性调整，所以在弯曲度相对小的曲线桥中T梁桥可以实现减轻弯扭作用的目标。在公路桥梁设计的工作实践中，这个方法通常可以用来弥补曲线T梁施工及受力方面的问题。弧形桥的设计中，其直线部分的静荷载与动荷载不平衡也会造成一定的位移曲线，但位移程度相较弯曲梁小一些。故而设计人员在大跨度公路桥梁设计实践中可以通过侧向链接提升公路桥梁结构的整体性能，并且最好采取悬臂注入箱式梁。在中等较大跨度的公路桥梁设计应用中，预制拼装多梁T型梁的采用相对其他形式有较好的成本控制。

2.3.2 简支空心板结构

大跨度公路桥梁设计中应当重点关注整体结构的设计，包括上层建筑类型模块等。不同公路桥梁的设计需要根据项目环境考虑好经济性、可行性及设计力学指标等。在我国当前的公路桥梁设计中，简支空心板结构的公路桥梁施工技术应用广泛，技术更为成熟，方案设计相对简单，但这种桥型有着较高的梁高，故而跨径不会很大，由于梁高同跨径之间的比例问题难以实现美观角度的要求，同时高墩数量较多也会导致桥面伸缩裂缝问题。简支空心板结构桥型在地势平缓且填土量较少的作业场地中应用。

2.4 下部结构优化

公路桥梁下部结构对整体公路桥梁有着重要支撑作用，设计人员对下部结构设计中要加强结构形式的优化，并严格依据勘测结果进行施工技术要点编制。在实际应用中，建设材料和建设工艺是影响桥墩使用效果的主要因素，同时直接关系到公路桥梁使用寿命。大跨度公路桥梁下部结构中多采用翻模技术，应设计好承载力及极限使用状态等相关数值，加强其稳定性。相邻桥墩会在相互之间的稳定性方面造成影响，故而下部结构设计要基于公路桥梁整体的分析对象，使得设计更为科学合理。

3 结语

大跨度公路桥梁是当前我国公路桥梁建设中的重要组成部分，设计人员应当不断提高公路桥梁设计能力，发现和总结公路桥梁设计中存在的不足，在优化设计中提高公路桥梁设计质量，保证公路桥梁使用寿命。大跨度公路桥梁的设计要根据不同外部环境及设计指标要求确定科学化的设计方案，推动公路桥梁建设事业稳步推进。

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