大跨度橋梁設計要點及優化措施初探

王超然

（長春市市政工程設計研究院有限責任公司， 吉林 長春 130000）

在公路橋梁設計過程中，研究安全性和耐久性是很重要的工作。公路橋梁質量與公民出行的安全性和便利性息息相關；安全性和耐久性能影響交通事故發生的概率。為確保在設計過程中公路橋梁的安全性和耐久性，首先需要有較高設計水準和素養的人員，其次需要不斷學習理論知識和積累豐富的實踐經驗，最大限度確保方案的合理性、科學性和可行性。

1 大跨度橋梁設計特點

地勢和地形的復雜程度會影響橋梁建設質量，同時在后續施工過程中也會對建設進度等方面產生影響。此外，由于個別地區脆弱的生態環境，在橋梁建設施工過程中，橋梁景觀和工程地周邊的自然景觀如何恰當地融合是需要充分考慮的。復雜多樣的地質條件，地區巖石風化程度，是否出現陡崖、滑坡和泥石流等問題，都是設計人員在橋梁設計過程中需要充分考慮的客觀條件，在設計標準化橋梁時，需要考慮客觀不利條件所帶來的影響。

2 大跨度橋梁的抗震特點分析

國內有很多地區在地震帶上，眾所周知，地震對交通基礎設施的破壞力是很強的，特別是對公路橋梁設施，在造成交通癱瘓的同時往往會帶來較大經濟損失。大跨度橋梁的抗震特性主要在以下幾方面：（1）大跨度橋梁的抗震性能設計中，概念設計的影響較大。（2）延展性是橋梁結構構件自身特性，也是大跨度橋梁的抗震特性之一，在遇到地震災害時，延展性能夠有效緩解地震對公路橋梁設施的沖擊。（3）橋梁自身的減震隔震特點。

3 大跨度橋梁設計優化措施

3.1 充分勘察調研，完善設計方案

勘察調研工作是公路橋梁設計人員在設計過程中的重要工作，需要對材料、結構特性、承載能力等方面進行分析。（1）關于結構選材。設計人員通過對施工現場的勘察調研，綜合考慮地質條件、地形和氣候等因素后，選擇合適的結構與施工材料，選材過程要有較高的科學嚴謹性。（2）關于疲勞損傷。在完成了設計方案的初版后，設計人員需要通過仿真技術對設計方案進行模擬，這樣能夠客觀地了解到公路橋梁在投運后的疲勞損傷情況。（3）遠景年交通通過量的計算也是公路橋梁設計過程中需要特別注意的地方，只有這樣才能充分確保公路橋梁的各項性能指標符合實際需要。

3.2 拓撲優化

在對大跨度橋梁實施優化設計的過程中，按照設計變量具體類型，分為以下幾個層次:其一，尺寸優化;其二，形狀優化;其三，拓撲優化。在進入到新世紀以后，橋梁優化方面的研究重點逐漸從過去的尺寸轉變為形狀與拓撲。對于拓撲優化，現階段主要有以下四種方法:其一，離散化連續體優化準則法;其二，遺傳算法;其三，均勻化方法;其四，漸進結構優化方法。在這四種方法中，以第四種最為常用，這項技術的主要優勢為概念相對簡單，有較高的計算效率。

3.3 了解結構震害，優化抗震設計

橋梁墩柱、上部結構、附屬工程等結構在遇到地震災害后容易受到損害。橋梁墩柱在橋梁承重構件中很重要，如果地震對橋梁墩柱的結構破壞較大，就會對墩柱結構的承載力和強度產生嚴重影響。結構震害和移位震害是上部結構震害的重要表現。橋梁結構受力比較脆弱的地方主要體現在橋臺連接處、主梁和下部墩柱，這些地方極易受到地震影響。

在橋梁底部加焊鋼板，同時采用縱橫約束裝置來限制梁部位移，能夠優化公路橋梁上部結構的抗震設計。梁端至墩臺帽或蓋梁邊緣距離需符合相關規范的移位限制要求。如果橋梁跨度較大，為減少橋梁伸縮縫，可以使用連續梁。

3.4 以可靠性理論為基礎的優化設計

在當前的優化理論當中，不論是局部優化還是整體優化，均以容許應力設計為基礎。伴隨現代設計理論持續更新和發展，在過去占據主導地位的容許應力設計勢必要向更高層次的方向轉變，如半概率、近似概率和全概率等，這在很大程度上促進了以可靠性理論為基礎的橋梁優化。在實際的設計工作中，為確保實用性，需結合具體情況選擇適宜的優化模型和求解方式，當然這需要通過大量的研究和實踐來積累。

3.5 超載設計

有效提升公路橋梁的耐久性可以通過克服公路橋梁超載問題來實現。如果超負荷使用公路橋梁的時間過長，疲勞受損就會發生，并且對公路橋梁的不利影響會越來越嚴重，最終導致基礎設施內部結構出現真實損傷。在公路橋梁基礎設施中，由于超載因素帶來的結構裂縫，對公路橋梁基礎設施的耐久性造成了一定程度的影響。因此，公路橋梁的超載設計需要綜合考慮基礎設施的結構構造和實際交通狀況，通過科學嚴謹的優化設計，最大限度對耐久性進行提升。

3.6 整體優化

絕大多數大跨度橋梁均屬于高次超靜定結構，結構相對復雜，關系到很多變量，而且設計時要考慮很多方面的內容?；诖?，整體優化或全過程優化往往十分困難，這主要體現在以下兩個方面:其一，目標函數建立;其二，根據目標函數確定最優解。在這種情況下，現階段有關大跨度橋梁方面的整體優化設計研究成果還相對較少，但隨著橋梁建設速度逐步加快，以及相關理論和方法的不斷完善，對大跨度橋梁開展整體優化設計將成為主流趨勢。

3.7 疲勞損傷設計

一般情況下，早期的疲勞損傷在公路橋梁基礎設施工程中很難被發現，之后又歷經較長時間的應力作用，疲勞損傷擴大了其所引發的負面影響，最終導致公路橋梁基礎設施的表面或內部出現裂縫。綜上考慮，從鋼結構著手來進行公路橋梁的抗疲勞損傷設計非常重要，同時還需要全面重點分析可能引發疲勞損傷的結構位置。在此基礎上，還應該積極進行相應的優化設計，力爭將疲勞損傷控制在合理范圍內。

4 結語

綜上所述，我國大跨度橋梁的數量必然隨著通行要求的提高不斷增多，在大跨度橋梁設計中，一方面要明確各項設計要點，另一方面則要采用適當的措施做好優化設計，以保證大跨度橋梁設計質量，為以后的橋梁施工及運營奠定良好基礎。