浅谈大跨度桥梁结构优化设计

宋彦峰

摘要：随着我国交通事业的快速发展，大跨度桥梁的发展也十分迅速。如何在满足结构使用要求的前提下对桥梁结构进行合理的优化设计已经成为目前大跨度桥梁设计的重要内容。

关键词：大跨度桥梁；结构优化；设计；结构问题

一、前言

大跨度桥梁往往处于公路交通运输枢纽的咽喉位置，为道路生命线工程的重要组成部分。随着我国经济的快速发展，大跨度桥梁建设在进入20世纪末进入了一个新的高潮，大跨度桥梁形式结构多样，主要有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂横架桥以及一些其他的新型的桥式，比如全索桥、斜拉悬梁混合体系桥梁、索桁桥等等，但是就目前技术熟练程度和结构安全性能而言，寻索桥和斜拉桥是大跨度桥梁的发展主流。目前的桥梁技术虽然已经能够很好的解决大跨度桥梁现存的问题，但是随着桥梁跨度的不断增加，向着更长、更大、更柔方向发展，为了保证其建设的可靠性、耐久性、行车的舒适性、施工的简易型以及美观性，桥梁设计以及施工人员还有更多的工作要做。而大跨度桥梁结构优化设计的过程，也是为了更好的处理和解决桥梁结构的安全性、适用性以及经济合理性、美观性的过程。

二、大跨度桥梁结构优化设计

1、局部优化

大跨度桥梁的局部优化虽然不能等同于整体，但是却优于整体，可以更好的促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小，研究的深度因而能更透彻。目前针对大跨度桥梁的局部结构进行优化设计研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面，主要有：加劲梁横截面的优化，斜拉索或主缆的动力优化，索力调整优化，索塔的结构优化，斜拉索和吊索锚固的优化，悬索桥锚锭的优化，桥墩及基础优化。

1.1加劲梁横截面的优化

大跨度桥梁的加劲梁主要是由钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。就目前建成的大跨度桥梁中，主跨梁的主要形式多数以钢梁为主，钢梁与混凝土结合梁以及混凝土梁较少且相对较小。

1.2斜拉索或主缆的动力优化

由于斜拉桥和悬索桥是当前大跨度桥梁建设的主要桥式，两者具有共同的特点，即都是由缆索支承，且桥面柔软，属于柔性结构，其阻尼值较低。在外部激励下，拉索极易出现大幅度的振动，如风雨交加时的出现的主梁和拉索之间的耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振等等。拉索的大幅度振动极易引起拉索锚固端的疲劳、降低了拉索的使用寿命，严重时甚至会直接影响桥梁结构的安全系数。由此可见，大跨度桥梁的动力问题极其重要。

1.3索塔结构优化

索塔的结构优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔的高度越高给施工带来的难度也就越大，塔太矮也会直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。因此，单独的对塔高进行优化是不明智的，应该与大跨度桥梁的其他部分整合起来综合考虑。塔的受力合理性与他的结构形式、缆索形式、缆索的锚固形式以及锚固点的分布状况有着直接或间接的关系，因此索塔受力的合理性优化也是大跨度桥梁结构设计中不可缺少的一部分。

1.4桥墩及基础的优化

桥墩以及基础是桥梁重要支撑结构，也是桥梁下部结构中的重要组成部分，对桥梁的稳固性起着重要的作用，因此桥墩及基础不论在数量、位置、还是结构形式上，都对桥梁的稳固、耐久有直接的影响，但对桥梁上部结构的影响较小。因此，在对桥墩和基础进行设计时，应针对具体的桥梁进行考虑。

2、整体优化

大跨度桥梁都为高次超静定结构，结构复杂，设计变量多，建设和设计又涉及到多方面的因素。因此，要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立，也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此，对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但是综合评价一座桥梁的优劣不是仅仅凭借局部的进行评判，而是要看整体的效果和运营，因此对桥梁的整体结构进行优化设计存在着一定的难度。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面：整体造价最优，整体动力性能优化，整体施工工艺优化，桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。

3、桥梁上部结构优化

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。简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区大跨度中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线梁来说，T梁为开口断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直线设臵的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。对于大跨径桥梁，最好采用悬臂浇筑箱梁。但是对于中等跨径的桥梁，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

4、桥梁下部结构优化

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、布臵均匀。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。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或至少一梁作为分析对象。稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载，下面以连续梁为例进行说明。介于梁、墩之间的板式橡胶支座，梁体上的水平力H（车辆制动力和温度影响力等）是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的，它不但使墩顶产生水平位移，而且板式橡胶支座也要产生剪切变形。当梁体完成水平力的传递以后，梁体暂时处于一种固定状态，但由于轴力及墩身自重的影响，墩顶还会继续产生附加变形，这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐达到反向的状态。

参考文献：

[1]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报（机械•设备和仪器的开发技术）.2002（05）

[2]禹智涛，韩大建.基于可靠度的桥梁结构优化设计[J].广东工业大学学报.2002（03）

[3]柴志，赵磊，卢彪.基于耐久性的桥梁结构优化设计模型[J].河南科学.2002（03）