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大跨度桥梁结构体系设计应用分析

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：樊杨

[导读] 摘要：目前我国桥梁建设水平不断提高，为我国交通事业发展奠定了稳定基础，由于桥梁结构体系较为复杂、种类繁多，在桥梁结构体系设计中还需要结合情况，做好桥梁结构体系设计，选择合适的桥梁结构体系。

        林同棪国际工程咨询(中国)有限公司武汉分公司湖北省武汉市 430000
        摘要：目前我国桥梁建设水平不断提高，为我国交通事业发展奠定了稳定基础，由于桥梁结构体系较为复杂、种类繁多，在桥梁结构体系设计中还需要结合情况，做好桥梁结构体系设计，选择合适的桥梁结构体系。文章结合桥梁结构设计现状探讨结构体系设计的应用。
        关键词：大跨度；桥梁结构；结构体系；结构设计
        引言
        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。
        1大跨度桥梁结构及其设计理论的发展
        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。设计桥梁工程结构的过程是一种处理桥梁结构的安全性（可靠性，耐久性）、适用性（功能要求和易操作性）、经济性（包括建筑和维护成本）的方法。在传统的桥梁结构设计中，设计人员需要根据设计要求和实际经验制定设计计划，参考类似的桥梁工程设计，然后计算强度、刚度和稳定性。但是，由于设计者经验的限制而确定的最终解决方案通常不是理想的最佳解决方案，而只是在有限数量的解决方案中接近最佳解决方案的可行解决方案。桥梁结构优化理论是传统桥梁结构设计理论的重大进步，也是现代桥梁设计的目标。设计计算中包括的所有定量部分均表示为变量，以构成所有结构设计的可行系统域，前提是满足规格和法规要求，并使用数学方法根据预定要求构建最佳系统。
        2大跨度桥梁的结构设计现状分析
        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。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。
        3大跨度桥梁结构体系设计应用策略
        3.1索-拱设计的应用
        索-拱结构最初应用在一些建筑中，比如体育馆等，近几年随着大跨度桥梁的发展，索-拱结构开始出现在桥梁结构中。拉索是一种轻质、高强的柔性结构，只能承受拉力作用，抗震性能相对较差;拱结构以受压为主，拱脚水平推力较大，对地基基础要求较高。

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斜拉-拱桥充分发挥两种结构的优势，且能够弥补彼此的缺点，扬长避短，造型优美。斜拉-拱结构与单斜拉、拱结构相比，由于拉索与拱相连，通过控制拉索的水平倾角以及预应力调整拱结构中的压力和最大弯矩，使主梁内力分布更均匀合理，从而可以降低拱肋的横截面积，降低结构自重，使结构具有更好的稳定性与刚度，充分利用了索受拉、拱受压的结构特性，结构更加合理，跨越能力增大。斜拉-拱桥在我国桥梁中已有应用，例如湘潭莲城大桥采用了双索斜拉-飞燕式钢管混凝土拱桥桥型，主拱采用中承式双肋无铰平行拱，斜拉索以扇形布置。主拱圈的作用提高了斜拉桥的刚度，拉索内力减小，降低索塔高度;而索塔既能传递拉索内力，突破传统飞燕式拱桥的造型，又能在施工过程中作为缆索吊塔和扣索塔架使用;通过调整斜拉索的预张力，可以调整拱圈轴线减小拱圈压力、弯矩以及拱脚的水平推力。
        3.2斜拉桥的应用
        与普通梁桥相比，斜拉桥即是带有多点弹性支撑且受轴向力的梁桥结构。因此，斜拉桥结构的优点在于斜拉索对主梁进行多点弹性支撑，减小了主梁弯矩使得斜拉桥能够轻松突破梁桥极限跨径瓶颈，挺进千米级桥梁跨径领域，甚至能与悬索桥进行超大跨桥梁结构比选。但也因为有斜拉索的存在，当斜拉桥跨径不断增大时，每根斜拉索水平分力不断叠加并作用于主梁上，导致主塔根部主梁轴力急剧增加，当轴力超过主梁极限承压能力时，主梁会出现屈曲现象。基于限制现代斜拉桥极限跨径的关键问题，结合现有工业技术及斜拉桥理论知识提出以下两点解决办法。其一：在主塔根部设置钢与混凝土叠合的结构形式，共同承担主梁轴力，同时，跨中断主梁采用自重较轻的钢桁梁结构，从而达到降低斜拉索索力的目的；其二：研制极限承载力更高的斜拉索。
        3.3稳定型悬索桥的应用
        由于主缆为柔性结构，所以悬索桥存在稳定性差、变形大的缺点，因此有学者在普通悬索桥的基础上在桥面下方增加了由倒张索和拉杆组成的倒张结构，称为稳定性悬索桥。由于倒张索与主缆结构中的预张拉力方向相反，所以稳定型悬索桥形成了预张拉结构，整体稳定性和刚度均有所提高。在设和施工中，可以通过调整倒张索的预张拉力对结构受力进行优化，由于稳定性悬索桥不再需要依靠结构自重所产生的重力刚度来维持桥梁的整体稳定性，因此与普通悬索桥相比可以通过优化加筋梁减轻桥面自重，节省造价。
        3.4桥梁下部结构的设计应用
        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。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。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
        综上所述，大跨度桥梁体系也在不断更新优化，研究理论也在不断完善，但大多数仍处于理论研究阶段，但随着技术的不断完善以及我国经济与科技发展的需要，传统桥梁结构体系也将有所创新，切实做好大跨度桥梁结构设计优化，能够有助于我国桥梁事业的稳定发展。
        参考文献
        [1]李宇锋.公路桥梁中大跨度桥梁设计研究[J].交通世界，2016(10):96-97.
        [2]徐凯.中国大跨径公路桥梁设计规范关键问题探讨[J].冶金丛刊，2017(9):252-253.
        [3]陈吉，张菡书.公路桥梁中大跨度桥梁设计的应用[J].城市地理，2016(16):149.