大跨桥梁的优化与结构设计

大跨桥梁的优化与结构设计

【摘要】随着桥梁施工技术的广泛应用，对其优化性和结构设计进行深刻分析是非常重要的工作。只有认真总结经验做好施工工作才能减低安全隐患，确保百姓安全出行。

【关键词】桥梁；优化；设计

随着交通建设事业的蓬勃发展，桥梁服役年限日渐增长，桥梁结构中会不可避免地出现表面和内部缺陷，这些缺陷往往具有很大的危险性，如果管养和维护不好，桥梁的寿命将会大大缩短，甚至会发生突然的破坏，造成人民生命财产损失。因而桥梁建筑已不单纯作为交通线上重要的工程实体，而且常作为一种空间艺术结构物存在于社会之中，这就对桥梁结构的设计提出了更高的要求。实际上，桥梁结构的疲劳破坏是桥梁结构设计中的一个非常重要的问题。一、大跨度桥梁的优化设计

大跨度桥梁建设施工难度系数高，施工项目复杂，施工环节多，施工工期长，因此，为了保证整个建设施工的最优，确保大跨度桥梁建设工作顺利竣工，需要从细节着手，具体应该从以下几个方面进行处理：

1）加劲梁横截面的优化。大跨度桥梁的加劲梁主要有钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。根据目前全世界已建成的大跨度桥梁统计，跨度分别排在前12位的斜拉桥和悬索桥，其主跨加劲梁形式大多为钢梁，而钢与混凝土结合梁和混凝土梁较少且跨度相对较小。

2）斜拉索或主缆的动力优化。目前的大跨度桥梁主要有斜拉桥、悬索桥及其它的一些新型的桥式，如全索桥，索托桥，斜拉一悬吊混合体系桥等。这些桥式都有一个共同的特点，即都由缆索支承，且桥面较柔，属柔性结构，阻尼低。在外部激励下，拉索极易发生意想不到的大幅振动。拉索的大幅振动容易引起拉索锚固端的疲劳、降低拉索的使用寿命，严重时甚至对桥梁安全构成严重威胁。因此，大跨度桥梁的动力问题显得尤为重要。

3）索力调整优化。大跨度桥梁的收缩徐变、非线性性条件等影响会随着跨度的增大越来越显著，但最终控制主梁应力和线形的直接因素还是斜拉索力和施工时的立模标高，因而确定合理的索力对斜拉桥的材料用量及结构安全性都有十分重要的意义。目前国际桥梁界对于索力调整的理论研究主要集中确定为以下几个方面：a.指定受力或位移状态的索力优化，如刚性支承连续梁法和零位移法。

b.无约束的索力优化，如弯距平方和最小法和弯曲能量最小法。

c.有约束的索力优化，如用索量最小法。

d.影响矩阵法。影响矩阵法能得到不同目标函数、不同加权的优化结果，又能计入预应力、活载、收缩徐变、约束优化等影响，既可用于确定索结构合理状态，也可用于施工阶段和成桥阶段的索力调整，实现了结构调整与结构优化的统一。

4）索塔的结构优化。索塔的优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔太高会给施工带来困难，增加造价。而塔太矮会降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索的受力。因此单独对塔高的优化不一定

是经济的，而应和其它部分结合起来考虑。

5）斜拉索和吊索锚固的优化。斜拉索和吊索锚固的形式和锚固点的布置对索塔和主梁的应力集中问题和结构形式有一定的影响，应和索塔和主梁结合起来考虑。

6）悬索桥锚锭的优化。悬索桥的锚锭有自锚式和地锚式。自锚式一般只有在无法使用地锚式时才采用。

7）桥墩及基础优化。桥墩是桥梁的主要受重部分，桥梁建设工艺和桥梁建设材料的选择直接关系到桥梁的整体质量，桥墩的施工应该对桥梁选址附近区域的地质条件和水温、水文等因素都进行系统的考察，并在大量数据基础上优化处理。

二、大跨度桥梁结构设计

大跨度桥梁的设计从宏观层面基本可以分为上部结构和下部结

构两个组成部分。上部施工主要从桥梁的外观审美、桥梁建设成本以及施工技术难度等出发。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梁建设类型。

大跨度桥梁的下部结构主要是承载桥体的自身重量以及来往车

辆和行人的重量，因此，对于下部结构的设计和施工应该以承重系数为核心，重点设计施工建设的材料和材料的安装技术等，以保证桥梁的承重均匀，能够满足桥梁正常运行下的重量。与此同时，下部的外观设计应该与上部的外观设计相互呼应，呈现整体的和谐与美观。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。需要进行强调的是，桥墩具备一定的柔度能够提高承重能力，但是该柔度系数需要有一个界定的数值，超出数值外的过度柔性，可能降低桥梁的整体稳定性，增加危险系数，存在安全隐患。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。

三、桥梁结构的损伤识别

桥梁结构是一个要素和结构复杂、具有生存环境和结构功能的动力学系统。系统研究思路已应用于桥梁结构损伤识别和健康监测，通过主动施加外部能量来实现对系统的控制。桥梁结构的损伤识别是通过试验和计算机来实现对结构的建模。桥梁结构可以看作是一个处于一定环境中的桥梁结构，一定的输入对应一定的输出，通过对系统输出和输入的分析，可以实现对桥梁结构损伤的判断和识别。对这样一个识别首先应确立一个桥梁整体监测的方法，对桥梁在使用年限内工作特性的变化进行全面深入的研究，建立客观同一的桥梁状态评估标准。所以整个技术的成功开发乃至结构目标的最终实现有赖于更好地结合系统自身的要素、结构和系统工作环境。

因此在具体实现桥梁结构系统的损伤识别时，我们在当前主要有以下几方面的工作：第一是针对系统输出：开发和应用以无线通讯技术为手段的数据采集系统；发能适用于交通荷载风荷载及定点测试荷载的传感器最优布设技术；第二是针对系统输入和输出的反向分析：采用动态边界子结构原理，开发以结构模型修正法为基础的结构损伤识别技术；研究非线性结构模型的时域评估方法及系统识别技术；寻找更适合桥梁监测的新指纹；开发桥梁观察与监测收据管理系统及决策专家系统；综合良态建模技术，改善有限元模型修正方法；第三是系统分析的终端应用：根据观察与监测的结果分析剩余的承载能力；建立桥梁安全准则及能用于桥梁整个寿命过程经济评价的估价模型。这样才能让桥梁结构的损伤识别工作做好。

我们国家自从改革开放以来在交通业上已经取得了飞速发展，特别是桥梁工程的建造，为其注入了巨大的活力。因此我们一定要做好桥梁结构研究及优化设计发展工作，为我国的交通运输业发展做出自己的贡献。