一、橋梁設計的總原則
橋梁設計幾乎涵蓋了所有的橋梁類型, 橋梁結構自身的安全性需靠可靠的結構計算分析成果和合理的構造處理措施來保證。除了要考慮恒載、活載、地震荷載、施工荷載及其它荷載等, 還應注重考慮強風荷載、雪荷載、凍脹力、水力等對橋梁產生的影響。對于一些受地形條件限制較嚴格的路段, 橋梁布設會出現高墩大跨結構, 因此下部結構的剛度分配、穩定性分析等都是橋梁設計時不可缺少的考慮內容。
對于無法采用標準跨徑結構的橋梁以及互通式立交中彎曲半徑較小的匝道橋梁則常采用鋼筋混凝土現澆結構及預應力混凝土現澆結構橋梁。另外, 所選橋型的造價是否合理是一個非常現實的問題, 所以橋梁設計不但要考慮其技術的可行性, 更重要的是要考慮所選橋型的經濟指標是否達到了最佳范圍。因此橋梁應根據工程所處的地理環境和施工條件進行多方案的技術經濟指標論證, 以期獲得最佳方案, 從而節約工程費用, 取得良好的經濟指標。同時, 橋梁建設更應該在注重環保的基礎上與周圍自然景觀環境相協調, 盡量減少對植被的破壞, 降低對河流的污染。
總之, 橋梁設計的總原則可以歸結為: 結構安全, 使用舒適, 經濟性好, 施工養護容易, 造型優美與自然相協調。
二、橋梁預制梁、板布設問題
橋梁最常見的橋梁結構就是預制結構。預制結構橋梁就是橋梁的上部結構(板、箱梁或T梁)在預制場地提前預制好后, 通過施工機械直接架設到橋梁的下部結構上。預制結構橋梁的優點是設計簡單、施工方便快捷、節省造價。因而, 可以從設計到施工上批量生產的預制結構橋梁成為橋梁設計方案的首選。但是, 對于預制結構橋梁來說, 它也有一些局限性。首先, 預制橋梁的上部結構理論上講必須是標準長度跨徑。因而, 如何合理的應用標準跨徑板、梁來布設橋孔方案是預制結構橋梁最基本的問題。其次, 預制結構板、梁除了跨徑都為標準跨徑外,它自身結構也都為直線結構。然而, 有時由于地形地勢的影響, 往往其平面線型均帶有一定的曲線半徑, 因此, 直線預制的板梁如何布設到平曲線上, 并且整體線型必須滿足平曲線的線型布置便是預制結構又一突出的問題, 也就是直線結構在曲線線形上的擬合問題。總之, 預制結構橋梁方案擬定的合理與否以及預制梁、板布置方法的優劣將會對該橋的施工進程、造價產生嚴重的影響。只有合理的方案擬定, 科學的板、梁布置才能充分發揮預制結構標準化、裝配化的優點。
需要注意的是, 預制結構橋梁方案擬定好之后, 在做細部設計時,最先遇到的問題就是預制板或預制梁的布置問題。預制的板、梁結構一般都是直線結構, 往往就會產生出很多細節上的矛盾。如果板、梁布置的精巧合理, 就可以充分發揮預制結構可批量生產的優勢, 加快施工進度, 降低造價。反之, 如果板、梁布置不當, 往往非但不能提高施工效率, 反而會給工程建設增加難度, 影響施工進度, 為了求快反而慢, 增加費用, 得不償失。因而, 解決好上部構造梁、板布置與平面曲線的適應關系是設計好預制結構橋梁的一個關鍵問題。因此, 橋梁設計工作者,做預制結構橋梁設計時, 在梁、板布置方法上需下功夫, 選擇一個更加巧妙的布置方法, 盡可能的充分發揮預制結構的優點。
三、預應力混凝土現澆梁橋上部結構應力問題
在橋梁方案擬定中, 對于非標準跨徑的結構, 都采用鋼筋混凝土現澆橋梁或預應力鋼筋混凝土現澆結構。現澆橋梁結構設計中, 關鍵問題就是做好上部結構的內力計算, 尤其是預應力結構的鋼束配束和應力分析。
預應力混凝土現澆梁橋的配束原則: ① 應選擇適當的預應力束筋的型式與錨具型式, 對不同跨徑的梁橋結構, 要選用預加力大小恰當的預應力束筋, 以達到合理的布置型式。避免造成因預應力束筋與錨具型式選擇不當, 而使結構構造尺寸加大。因為, 當預應力束筋選擇過小, 每束的預加力不大, 在大跨結構中造成布束過多, 因構造尺寸限制布置不下時, 則要求增大截面。反之, 在跨徑不大的結構中, 如選擇尺寸與預加力很大的單根束筋, 也可能使結構受力過于集中而不利;② 預應力束筋的布置要考慮施工的方便, 也不能如鋼筋混凝土結構中任意切斷鋼筋那樣去切斷預應力束筋, 而導致在結構中布置過多的錨具。由于每根束筋都是一巨大的集中力, 這樣錨下應力區受力復雜, 因而必須在構造上加以保證, 為此常導致結構構造復雜, 而使施工不便; ③預應力束筋的布置, 既要符合結構受力的要求, 又要注意在超靜定結構體系中避免引起過大的結構次內力; ④預應力束筋的配置, 應考慮材料經濟指標的先進性, 這往往與梁橋體系, 構造尺寸、施工方法的選擇都有密切關系; ⑤預應力束筋應避免使用多次反向曲率的連續束, 因為這會引起很大的摩阻損失, 降低預應力束筋的效應。
需要注意的是, 預應力混凝土連續梁橋做結構設計時, 各個截面的應力是有一定的取值范圍的。最好將結構設計為全預應力結構, 各個截面沒有拉應力而有一定量的壓應力儲備。若無法通過調束使各個截面均為壓應力, 則允許個別截面存在拉應力, 拉應力的取值以不超過2MPa為宜, 即各控制截面允許出現不使截面開裂的拉應力。
四、橋梁下部柔性高墩的設計方法
近年來, 為了減少工程材料、降低工程造價, 設計人員在高墩橋梁下部結構設計中希望應用柔性墩臺的理論設計出柔性橋墩, 利用橋墩自身的變形(即墩頂水平位移) , 通過上部結構傳遞橋梁及墩臺承受的各種水平力(包括溫度力)來實現橋梁下部構造輕型化, 同時也減少水平外力對橋梁上部結構的影響。但同時, 柔性高墩的結構計算工作也成為高墩橋梁下部結構設計中的重點難點問題。
首先, 集成剛度法的概念。集成剛度法是指把單層多跨結構, 逐跨濃縮為兩端具有抗推的彈性支承的單跨結構, 從而逐跨解析結構內力。結構抗推(拉)的剛度用一彈簧表示, 利用彈簧模型的串、并聯關系模擬剛度的集合。集成剛度法計算柔性橋墩的主要概念有兩點, 一是用串聯的和并聯的彈簧結構來模擬柔性墩及其支座, 二是由一端岸墩起逐孔的將若干孔橋梁的總抗推剛度推算出來, 稱為集成剛度, 用以解算全橋的位移和受力。對于連續梁橋, 墩頂橡膠支座可視作水平彈性支承,故橋墩與其支座的集成剛度可認為是串聯關系, 而各個橋墩之間, 由于有共同的上部結構連接因而位移相同受力卻各自分擔, 可認為各個橋墩之間是并聯關系。在應用集成剛度法的具體計算過程中, 應該注意在首次水平力計算完畢后, 應對各墩臺分配到的水平力和橋梁支座摩阻力進行比較, 確定是否需要再分配計算。
下部墩柱水平力的計算。下部墩柱水平力主要包括汽車制動產生的水平力和溫度變化產生的水平力。集成剛度法就是通過計算出一聯橋墩臺各自的剛度以及該聯橋的總抗推剛度, 通過各墩臺自身剛度占該聯橋總抗推剛度的比例來分配該聯橋的制動力和溫度力, 以求解各墩臺所承受的水平力。然后通過該水平力求得墩臺所承受的最大彎矩, 并計算出墩臺的豎向力, 進行配筋計算和裂縫驗算, 完成整個墩臺的下部結構設計。
四、結語
綜上所述, 文章對橋梁上部結構設計中預制結構的方案擬定和梁、板布置問題進行了全面的分析, 對橋梁上部結構設計中預應力混凝土現澆結構配束過程中應力做了分析, 對柔性高墩的設計方法進行了分析研究,給出了相應的研究結論, 希望對于我國橋梁設計起到一定的借鑒作用。