大跨度桥梁的设计与实现

大跨度桥梁的设计与实现
殷金象
摘 要：分析了桥梁的基本概念与分类，探讨了大跨度悬索桥的主要特点，提出了大跨度桥梁设计应当把握的基本原则，重点研究了大跨度桥梁的设计方法。
关键词：大跨度；桥梁；设计
一、引言
在城市道路、乡村道路建设中，为了跨越各种障碍(如河流线路等)，必须修建各种类型的桥梁，桥梁是交通线的重要组成部分。随着工程手段与技术的飞速发展，桥梁设计施工技术日臻成熟，大跨度桥梁的建设，改善了落后地区特别是山区的交通状况，推动了当地经济的快速发展。加强对大跨度桥梁的研究，对于提高桥梁设计质量，优化人民群众出行环境，具有十分重要的现实意义。
二、桥梁与大跨度桥梁
（一）桥梁概念与分类
桥梁是指为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物。桥梁一般由桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、墩台基础等五大部件和桥面铺装、防排水系统、栏杆、伸缩缝、灯光照明等五小部件组成。
桥梁按跨径大小和多跨总长分为小桥、中桥、大桥、特大桥；按结构分为梁式桥,拱桥,刚架桥,缆索承重桥(斜拉桥和悬索桥)四种基本体系,此外还有组合体系桥；按行车道位置分为上承式桥、中承式桥、下承式桥；桥梁根据多孔跨径总长L（米）与单孔跨径L0（米）的长度可以分为：特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞四种类型：特大桥 L≥500、L0≥100，大桥 L≥100、L0≥40，中桥 30<L<100、20≤L0<40，小桥 8≤L≤300、5<L0<20，涵洞 L<8、L0<5。
（二）大跨度悬索桥的特点
山区、峡谷地区与内陆平原地区的桥梁建设有许多不同之处，对于宽、深的峡谷，多采用大跨度悬索桥一跨跨越深谷。悬索桥是建造跨度非常大的桥梁最好的设计之一，悬索桥的主跨可达1991m，桥面靠钢缆吊在半空，缆索悬挂在桥塔之间。本文重点探讨一下大跨度悬索桥的主要特点。
1.多采用钢桁加劲梁
在峡谷地区，由于地形陡峻，谷底一般不通交通，且深度动辄数百米，加劲梁难以从待安装点直接垂直起吊安装，而必须通过缆索吊机纵向运输，故此对加劲梁的节段重量有了严格的限制。同时，加劲梁钢结构制造工艺要求严格，必须在条件较好的工厂施工，而峡谷地区一般交通不便、道路等级不高，若采用桁式加劲梁可以降低运输难度、避免大件运输，这是进行桥梁设计时必须要充分考虑的一个重要因素。
2.多采用隧道式锚碇
与重力式锚碇相比，隧道锚造价低廉。地质构造以岩体为主的山区，节理少，岩体性能好的情况下，对悬索桥采用隧道锚特别适宜。隧道锚可有效减少开挖量和混凝土用量，是理想的锚碇型式，如我国的四渡河桥宜昌岸隧道锚与恩施重力锚混凝土用量比1:4，土石方开挖量之比1:5。因而，使用隧道锚不但可以有效保护自然环境，而且可以避免大规模开挖土石，有利于节约成本。
3.充分考虑风场的作用
大跨度悬索桥属风敏感结构，同时，桥梁跨越峡谷又属于不易确定地表类别的特殊地形，其风况有与附近地表处的风况有较大的不同。山间盆地、谷地等封闭地形受周围山岭的屏障作用，一般比平坦地区风速和风压相对较小；而峡谷、山口地区，由于两岸山高气流受阻，在峡谷、山口处形成风速区，通常风速和风压均会增大。因此，在进行大跨度桥梁设计与施工时必须要充分考虑风场的影响，避免出现设计瑕疵。
4.多采用缆索吊施工加劲梁
山区地形地质条件复杂、交通不便、大件运输极为困难，目前国内大跨度悬索桥中，较少采用桁架式加劲梁，其施工及架设缺乏经验;山区施工场地狭小，工作面严重受限，无法采用缆载吊机架设方法，采用悬拼法工期过长。而缆索吊起吊重物后可以沿中跨全跨范围内进行移动，起吊点位置不受限制，架设速度快、投资省。采用大跨度缆索吊进行吊装山区悬索桥桁架式加劲梁是较好的选择。
三、大跨度桥梁结构设计
（一）设计原则
大跨度桥梁通常多使用在落差比较大的山区，大跨径桥梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征。大跨度桥梁结构设计应当遵循以下原则：一是安全可靠性。所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备；对于河床易变迁的河道，应设计好导流设施，防止桥梁基础底部被过度冲刷；对修建在地震区的桥梁，应按抗震要求采取防震措施；对于大跨柔性桥梁，尚应考虑风振效应。二是适用性。即设计要有足够的承载能力，能保证行车的畅通、舒适和安全；既满足当前的需要，又综合考虑今后的发展。三是经济性。桥梁设计必须考虑在建造时消耗最少量的材料、工具和劳动力，在使用期间养护维修费用最省，并且经久耐用。另一方面，桥梁设计还应满足快速施工的要求，缩短工期还能降低施工费用。四是可观赏性。在适用、经济和安全的前提下，尽可能使桥梁具有优美的外形，并与周围的环境相协调，充分考虑桥梁的建筑艺术，提高桥梁的可观赏性。
（二）上部结构设计
上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。结合梁桥面适用于 L=400～700m，由于覆盖一层预制砼桥面，使桥面的沥青铺装条件和引桥的P.C.梁一致，特别是目前高温地区的钢桥面铺装技术仍存在问题的情况下，选用结合梁可免除后顾之忧。结合梁的钢主梁和横梁组成梁排，制造和安装十分方便，可采用高强螺栓连接，施工便捷，造价也比钢箱梁低廉。在 700m以下的斜拉桥中，只要采用斜索面布置，这种开口结合梁已具有足够的抗风能力。虽然比钢箱梁重的桥面要付出较大拉索的用钢量和基础的工程量，但综合的经济指标仍比钢箱梁好，此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。
（三）下部结构设计
下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布置均匀。桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。当墩高较高时，必须要充分考虑桥墩的稳定问题。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）关于偏心受压柱条文说明5.3.10条指出，“当l0/h＞30时，构件已由材料破坏变为失稳破坏。” l0为受压柱的有效长度，在0.5～2倍墩高之间变化，究竟取值多少，与施工状态、上构重量、上构和墩柱的连接方式即墩柱的支承刚度有关。实验及施工实践证明，当墩高大于50m时，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超过65m左右时顺桥向应考虑放坡，因为采用等宽尺寸时施工虽然方便，但为了保证桥墩的稳定，墩柱和帽梁必将尺寸加大很多，这样材料会浪费较大。
参考文献：
[1]铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编，悬索桥[M].北京:科学技术文献出版社，1996.