大跨度桥梁设计关键点及优化措施研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 142 大跨度桥梁设计关键点及优化措施研究 邵加楠 广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507 摘要：摘要：随着国家经济建设和科学技术的发展，我国桥梁结构往跨度逐渐加大，结构逐渐复杂的方向发展。本文从大跨度桥梁设计优化的必要性出发，分别对大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥的设计关键点进行了阐述，然后分别从桥梁局部、整体对大跨度桥梁设计的优化措施进行了探讨，同时对大跨度拱桥吊杆倾角参数进行优化分析，明确了吊杆倾角参数取值的合理范围，以期为大跨度桥梁设计工作提供一些思路。关键词：关键词：大跨度；桥梁设计；设计关键点；优化措施 中图分类号：中图分类号：U44 0 引言 随着建筑行业的蓬勃发展，各种复杂结构的桥梁也得到了设计和建设。作为当前桥梁工程中的重要组成部分，大跨度桥梁工程项目建设数量不断增加，桥梁的结构设计也越来越复杂化，因此保证大跨度桥梁的工程质量是十分重要的课题。桥梁设计人员需掌握桥梁设计关键点，持续优化提升设计工作，确保大跨度桥梁安全性、耐久性、经济合理性。综上所述，从当前学术研究来说，大跨度桥梁的研究是桥梁工程领域中是非常重要与活跃的。1 大跨度桥梁设计及优化工作的必要性 目前我国对大跨度桥梁工程的相关研究仍任重而道远。在传统桥梁结构设计中，设计方案依赖于设计人员的经验，易受设计人员主观因素的影响。桥梁设计优化工作基于设计要求将各方面因素进行综合分析，把设计工作的相关变量采用参数化形式来体现，对桥梁结构出合理的参数设计范围，再利用优化算法在划定的参数范围内进行计算分析，得到的最优解即为最合理的设计方案。相比于传统桥梁设计，桥梁工程的设计优化算法可以有效的明确设计方向，加快设计速度，缩短设计周期。对于传统的设计方案一般需要设计人员利用力学理论对其进行受力分析、结果检验。对不能满足要求的设计方案，需对设计变量需进行反复调整，设计流程比较繁琐复杂，设计周期较长，同时可能导致工程造价偏高、设计方案不一定为最优解。桥梁工程进行优化设计时，通过对算法的优化能大幅缩短建设周期1。对工程造价进行不断调整优化，可节省工程投资额 5%20%，在确保安全可靠的前提下，达到经济合理的最佳状态。为了提升大跨度桥梁的工程质量，充分发挥大跨度桥梁工程在社会经济建设中的积极作用，桥梁行业就必须对大跨度桥梁的设计方案、施工技术等进行不断优化提升，确保大跨度桥梁的安全性、经济性和耐久性，从而促进我国经济快速的发展。2 大跨度桥梁设计关键点 2.1 大跨度悬索桥设计关键点 悬索桥是大跨度桥梁中的重要类型之一2，在我国主要用于跨越航道和峡谷。大跨度悬索桥结构主要由锚锭、加劲梁、主缆、索塔等构件构成。索塔是大跨度悬索桥传递荷载的重要的构件。对于地锚式双塔悬索桥而言，主缆通过锚碇锚固，根据边跨是否设置吊杆而形成单跨、双跨或三跨悬索桥。在多跨大跨度悬索桥的设计中，设计人员应根据实际情况和内部结构特征确定边中跨比，根据塔高、主缆垂度及主跨跨度确定矢跨比。同时也需要考虑汽车荷载、风载、地震等因素。温度和桥塔偏位作用会造成悬索桥主缆线形出现一定的偏差，因此对主缆线形准确度的控制在大跨度悬索桥结构设计中十分重要。解析法和有限元法是进行主缆线形设计的常用方法。解析法设计思路清晰，计算软件程序代码较简单，但无法计算加劲梁与主塔的内力，需另外单独进行计算。而有限元法系统较为复杂，可以很好的体现出悬索桥的非线性，对悬索桥结构所有的构件均能通过其三维空间杆单元综合进行中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 143 有限元分析，但有限元法对桥梁局部细节处理得不够到位，必要时需进行实体有限元分析。弹性理论、挠度理论以及有限元分析理论是目前悬索结构的主要分析理论，桥梁设计优化的关键点是桥梁结构的桥型尺寸及约束体系。2.2 大跨度斜拉桥的设计关键点 斜拉桥的优势在于良好的结构受力形态，广泛应用于大桥的建设中。斜拉桥由索塔、斜拉索、加劲梁、辅助墩等构件组成。加劲梁通过斜拉索向索塔进行传递荷载，索塔承受其自重以及斜拉索传递的索力力。根据受力和地形地貌需求，在边跨设置辅助墩可有效改善斜拉桥的总体静力和动力的性能。设计人员应根据桥梁受力及景观的需求进行桥梁索面设计，分为平行索面和双斜索面。同时，约束体系对斜拉桥的受力也具有举足轻重的地位，合理的约束体系能有效的改善塔、梁、索的内力。基于斜拉桥的受力特点，并根据地形的选择，其跨径一般为 200800m。2.3 大跨度拱桥设计关键点 拱桥在我国历史久远，古代建造的拱桥一般为石拱桥，现代新式拱桥一般为钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥及钢箱拱桥，根据拱桥中拱肋受压的设计理念，拱桥具有较高的承载能力，且造型优美、灵动，具备良好的社会经济、文化价值。拱桥结构在跨径相对较小的桥梁中也非常实用，在 V 字形峡谷地形中就能够很好的发挥其优势。常见的拱肋类型包括单拱肋和组合式拱肋（桁架式拱肋）两种类型，钢筋混凝拱桥及钢箱拱桥一般为单拱肋式拱桥，钢管混凝土拱桥则根据受力需求确定。为确保桥梁良好的稳定性，在拱桥设计中需根据桥梁的受力需求的大小选择合适的拱肋形式。对钢管混凝土拱而言，钢管形式主要有单管形式和多管形式，其中单管拱肋施工简单、成本较低，但抗弯性较差，可能影响拱桥的安全性和耐久性，通常运用到较小跨度的桥梁中，跨径一般不超过 80m。多管桁式拱肋因其加入了直径比较小的钢管，较大的提升了拱肋的抗弯能力，确保了桥梁安全可靠性能要求，在大跨度的拱桥中得到广泛的应用，一般跨径在100m 以上。3 大跨度桥梁设计优化措施 3.1 局部优化 大跨度桥梁设计局部优化效益较高，涉及的变量比较少，研究的难度也相对较低，具有比较高的研究价值3。大跨度桥悬索桥局部优化工作主要体现在主缆力、加劲梁横截面、基础和桥墩等方面进行。由于大跨度悬索桥的跨度较大、结构刚度小、质量轻、阻尼值较低，主缆及吊杆在外部荷载作用下容易出现大幅度振动，所以设计人员首先需要对大跨度桥梁主缆及吊杆的动力进行优化处理，满足结构稳定性要求。加劲梁一般采用钢梁，需对其进行优化，以满足经济实用性能要求。对于斜拉桥而言，辅助墩是改善其全桥受力的重要构件，对辅助墩的位置需综合考虑整桥的受力性能及地形地貌的要求，同时对于具有通航要求的水中辅助墩，需仔细研究其顺桥向及横桥向的船舶撞击，设计人员也需注重对桥墩和基础的结构形式、位置和数量进行优化，加强桥梁自身的安全性与耐久性。对于拱桥而言，应根据桥梁的荷载状况进行合理优化。对于带吊杆的拱桥，需优化其吊杆力，尽量消除拱肋的弯矩，并尽量使得吊杆力均匀。对于上承时拱桥而言，应对拱上立柱位置进行合理优化，改善拱肋内力。3.2 整体优化 由于大跨度桥梁大部分是高次超静定结构，结构受力复杂，因此在设计过程中要全面掌控桥梁的数据信息是比较困难的。通过桥梁使用效果及运行情况的反馈，设计人员可以对桥梁的整体性能状况进行评判。对大跨度桥梁的整体优化，相关设计人员需要对桥梁多方面因素进行综合分析，一般来说，桥梁整体性能的优化可以通过对桥梁局部性能的优化来实现，其中进行优化的主要包括桥梁的整体受力性能、耐久性、投资造价、施工工期和施工难度等方面。3.3 桥梁结构具体参数优化分析 大跨度桥梁的结构参数有很多，各种参数对大跨度桥梁的性能有着不同程度的影响。对于大跨度吊杆拱桥，其吊杆倾角对结构受力有较大的影响，现对拱桥吊杆倾角参数进行优化分析。以某实际工程中的简支系杆拱为例进行优化分析，原设计吊杆倾角 60，下面就不同吊杆倾角单一因素进行分析，选取的吊杆倾角分别为 48、54、60、66、72五种，控制截面选取拱肋拱脚截面(GJ)、拱顶截面(GD)、1/4中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 144 拱肋截面(GL/4)、主梁梁端截面(LD)、1/4 主梁截面(ZL/4)、跨中截面(ZL/2)4。恒载作用下，该吊杆拱桥控制截面的轴力和弯矩随吊杆倾角变化情况，如表 1、表 2、图 1 和图 2 所示。表 1 恒载作用下大跨度拱桥轴力值(kN)吊杆倾角 48 54 60 66 72 轴力 轴力 轴力 轴力 轴力 主梁 LD 24378 24502 24648 24910 25376 ZL/4 24675 24764 25033 25346 25478 ZL/2 24059 24377 24873 25014 25347 拱肋 GJ-32984-33159-33227-33467-33951 GL/4-29050-28932-28802-28156-27910 GD-31829-30308-29796-28788-28658 表 2 恒载作用下大跨度拱桥弯矩值(kNm)吊杆倾角 48 54 60 66 72 弯矩 弯矩 弯矩 弯矩 弯矩 主梁 LD-4068-5032-5611-6376-6809 ZL/4 5098 4605 3342 4576 4934 ZL/2 2552 2387 1420 2423 3506 拱肋 GJ-2726-2764-2815-2774-2612 GL/4-1425-1654-2448-1896-1833 GD 525 450 230 409 648 图 1 恒载作用下大跨度拱桥轴力变化曲线 图 2 恒载作用下大跨度拱桥弯矩变化曲线 由表 1 和图 1 可知，恒载作用下，该吊杆拱桥主梁轴力随吊杆倾角的增大而呈小幅度增大趋势，增加幅度在 4%5%，并不明显。拱脚截面轴力随吊杆倾角的增大而呈小幅度增大趋势，增大幅度仅为 3%左右，而拱顶截面和 1/4 拱肋截面轴力随吊杆倾角的增大而减小，减小幅度最大为 10%左右。由表 2 和图 2 可知，主梁的跨中弯矩和 1/4 截面弯矩随吊杆倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，吊杆倾角为60时弯矩值最小，减小幅度在60%左右；但梁端负弯矩随吊杆倾角的增大而一直增大，增加幅度 67%。由此可见，吊杆倾角变化对主梁弯矩的影响程度较大，进行桥梁优化时需重点考虑合理的吊杆倾角范围。拱肋拱顶截面随吊杆倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，弯矩值最小出现在吊杆倾角 60左右，减小幅度在 65%左右；1/4 拱肋及拱脚弯矩均随吊杆倾角的增大呈现出先增大后减小的趋势，1/4 拱肋截面增加幅度为 25%左右，而拱脚截面增加幅度为 7%左右。汽车荷载作用下，该吊杆拱桥控制截面的竖向位移情况，如表 3 所示。表 3 汽车荷载作用下大跨度拱桥竖向位移(mm)吊杆倾角 48 54 60 66 72 竖向位移 竖向位移 竖向位移 竖向位移 竖向位移 主梁 LD-0.01-0.01-0.01-0.01-0.01 ZL/4-13.25-12.12-11.74-11.98-13.08 ZL/2-16.15-14.90-14.34-14.52-15.57 拱肋 GJ-0.01-0.01-0.01-0.01-0.01 GL/4-5.63-5.33-5.58-6.21-7.73 GD-3.92-3.98-4.42-5.07-6.36 由表 3 可知，主梁竖向位移除梁端外随吊杆倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，竖向位移最低在60左右，减小幅度在 10%左右，梁端竖向位移无变化。拱顶竖向位移随吊杆倾角的增加而增加，增大幅度 55%，而 1/4 拱肋竖向位移表现出先减小后增大的趋势，但整体为增大趋势，增大幅度 37%，最小值在吊杆倾角54附近。4 结语 本文对大跨度桥梁的设计关键点进行了归纳总结，阐述了大跨度桥梁设计的优化策略，同时研究了大跨度拱桥吊杆倾角参数的合理范围。主要得出以下结论：大跨度桥梁工程设计优化需综合考虑多方面因素，每个因素微小的变化都可能对桥梁结构产生较大影响，需从桥梁局部、整体等分别对大跨度桥梁进行设计的优化，提高桥梁的安全可靠性和经济效益。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 145（2）大跨度吊杆拱桥的吊杆倾角对其弯矩和竖向位移影响较明显，而对其轴力影响不大。针对大跨度吊杆拱桥，其吊杆倾角布设时，建议倾角取值范围为5466之间。参考文献 1江启军.大跨度桥梁设计关键点及优化措施研究J.工程技术研究,2020,5(03):228-229.2李德富.大跨度桥梁设计要点及优化措施初探J.黑龙江交通科技,2022,45(07):80-81.3付春雨,劳永升,谢周余,等.考虑梁重误差效应的节段拼装混凝土斜拉桥索力调整J.中国铁道科学,2023,44(2):66-72.4曹鑫科.大跨度网状吊杆拱桥力学性能及结构参数优化研究D.西安:长安大学,2022.作者简介：作者简介：邵加楠（1995），男，汉族，云南昆明人，本科，桥梁工程师，研究方向为桥梁设计。