大跨度桥梁工程论文

2022-05-12

下面是小编精心推荐的《大跨度桥梁工程论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。摘要：“大跨度桥梁”作为桥梁工程专業后期的专业选修课程，主要从力学分析入手讲解大跨度桥梁的基本设计方法与施工过程。本文论述了在“大跨度桥梁”课程教学当中通过适时引入桥梁美学的相关内容，重点通过案例分析讨论等教学手段，使学生了解桥梁美学的分析法则，初步形成桥梁美学的认知能力。

第一篇：大跨度桥梁工程论文

大跨度桥梁设计在公路桥梁中的应用

【摘要】随着经济的发展，我国的桥梁设计技术也在不断发展，各种新兴技术如大跨度桥梁设计工艺的应用，进一步提高了桥梁的安全性能。但是由于这一技术应用的时间较短且应用范围受到一定的限制，在实际应用中该技术还缺乏一定的完善性。本文就以大跨度桥梁设计这一工艺手段为中心，结合工作实际，对其在公路桥梁设计中的应用问题进行分析论述。

【关键词】大跨度桥梁设计具体应用

在技术的推动下和机械设备发展的基础上，我国桥梁建设的设计跨度也在逐渐增加以更好的满足人们出行的需要，大跨度桥梁设计工艺逐步应用。但是由于这一工艺在施工的过程中难度较大，对施工工艺的要求较为严格，因此必须要引起高度的注意。下面本文就结合工作经验，对当前大跨度桥梁设计在公路桥梁设计的应用问题进行分析论述。

一大跨度桥梁设计在结构设计中的应用分析

一般情况下，从宏观层面来看，大跨度桥梁能够分为上部结构和下部结构两个部分，上部结构的设计主要是体现桥梁的审美需求，并且要在设计的过程中考虑到施工建设的成本和实际的施工难度。下面以简支空心板结构的桥型进行分析。

简支空心板结构的桥型，在实际施工的过程中较为方便，且施工工艺成熟，能够确保桥梁的整体质量性能。但是其也存在着一定的缺点，即跨径小且梁高大，这样机会因为桥梁的跨径受到限制而使得跨深沟桥梁高跨比出现不协调的现象，影响到结构的美观性。桥梁的上部结构不能够和路线小半径以及大超高线形相符合，并且高墩的数量增加，加之桥面存在着较多的伸缩缝，因此说会影响到路桥的使用性能。基于此，在山区大跨度中，简支空心板结构的桥型一般适用于地形较为平缓且填土较低的小桥上。

对于大跨度桥梁的下部结构来讲，其主要的作用是承载桥体的自身重量，并且要承载住来自车辆和行人的荷载影响，所以说在对大跨度桥梁的下部结构进行设计的过程中，必须要以承重系数作为设计的核心，将设计的重点放在施工建设的材料以及材料的安装技术方面，这样就能够最大限度的保证桥梁均匀承重，并能够很好的满足桥梁正常应用情况下的重量，进而确保桥梁的整体结构的安全性。

除此之外，在桥梁下部结构的设计过程中，也需要确保其美观性能，并要做到下部结构和上部结构的协调发展，实现桥梁整体结构的美观性和和谐性。在当前大跨度桥梁设计的过程中，下部结构应用最为广泛的是柱墩式，其时当前公路桥梁设计中应用较为广泛的桥墩形式，具有自重轻且结构稳定性好的优势，且施工过程中没有难度，方便快捷，并能够达到较为美观的结构外形。但是需要注意的是，桥墩具有一定的柔度，能够在一定程度上提升桥梁的承重能力，但是这一柔度必须要有一个界定的数值，使其在这个范围内变动，如果超过这个数值，不仅不会达到提高承重能力的作用，反而会降低较量的稳定性、安全性和耐久性，进而影响到桥梁的整体质量，严重时可能会发生安全事故。在设计的过程中，为了防止这一情况的发生，对于连续梁结构的桥梁或者是连续刚结构的桥梁，设计时一定要详细的分析各个柱墩的稳定性，并且要分析其稳定性的影响因素，并且要选择全桥或者是至少一个梁来作为分析对象，得出相关的数据，如果符合设计中对于稳定性的要求，才能够继续施工操作，否则必须要找到其中潜在的安全隐患，避免各种安全事故的发生。

二大跨度桥梁的优化设计研究

众所周知，大跨度桥梁的施工项目较为复杂，且具有较高的难度系数，所以在桥梁设计的工程中应用大跨度桥梁设计工艺，必须要优化设计手段，确保整个桥梁项目的顺利完工。具体来讲，在实际应用的过程中必须要优化的设计环节有以下几点。

首先，要实现对加劲梁横截面的优化设计。一般来讲，大跨度桥梁的加劲梁主要有混凝土梁、钢梁、叠合梁以及混合梁等主要形式，从当前已经建好的大跨度桥梁的实际情况来看，跨度较大的桥梁，主跨加劲梁的形式基本上都为钢梁形式。因此说，基于此，在大跨度桥梁设计的过程中必须要对加劲梁的横截面进行优化设计，以便达到最佳的设计需求。

其次，需要实现对索力调整的优化设计。对于大跨度桥梁来讲，其收缩徐变、非线性条件等影响都会随着跨度的增加而变得更为突出，因此在设计的过程中需要对这几个因素进行有效的控制，但是需要注意的是，尽管这些因素的作用效果较为明显，但是最终控制主梁应力和线形的直接影响因素还是斜拉索力以及施工过程中的立模标高，所以说，在应用大跨度桥梁设计工艺进行公路桥梁设计的过程中，必须要根据实际情况确定索力，这样能够更好的明确斜拉桥材料的用量，并且最大限度的提升桥梁结构的安全性。在对索力调整的过程中需要注意以下几个方面。

第一，要做好指定受力或者是位移状态下的索力优化工作。例如刚性支承连续梁法或者是零位移法，都能够很好的实现这一目标，但是在实际选择优化方法的时候需要结合桥梁的实际设计方案和具体的施工实际。

第二，做好有约束的索力优化和无约束的索力优化工作。前者可以采用索量最小的方法进行优化，而后者可以采用弯矩平方或者是弯曲能量最小法进行优化。

第三，可以采用影响矩阵法进行优化。应用这一方法能够得到不同目标函数以及不同加权的优化结果，同时又能够计入预应力、约束优化以及收缩徐变等影响，这样既能够更好的确定索结构的最佳科学状态，又能够用于施工阶段和成桥阶段的索力调整，进而能够更好的实现结构的优化，确保桥梁的整体质量性能。

再次，需要做好斜拉索以及吊索锚固的优化操作。一般情况下，斜拉索以及吊索锚固的形式和锚固点的布置都会影响到索塔和主梁的应力集中状况，并且也会对桥梁的结构形式存在一定的影响，在这种情况下进行优化操作，必须要充分的考虑到各方影响因素，并且需要和索塔以及主梁相结合进行全方位的考虑，这样才能够更好的优化斜拉索和吊索锚固问题。

最后，要做好桥墩和桥梁基础的优化。对于大跨度桥梁来讲，桥墩是其中最主要的受力部分，这就要求在桥墩设计的过程中一定要科学的选择建设工艺和建设材料，进而确保桥梁的整体质量。但是需要注意的是，在桥墩施工的过程中，必须要对施工地附近的地质水文条件、气候条件等进行科学的考察，得出大量的数据，以此为基础，才能够更好的优化桥墩和基础设计，这样设计的方案也能够更好的满足实际的需求。

除了上述的几点优化措施之外，在桥梁设计中应用大跨度桥梁设计工艺，还需要对索塔的结构进行优化，使其塔高和受力更为合理。还需要对悬索桥的锚锭进行优化，一般情况下，这一类型桥梁的锚锭有自锚式和地锚式两种，在优化的过程中需要结合具体的情况科学选择优化方案。

结束语：随着城市化进程的不断加快，道路桥梁的施工建设得到了更多人的关注，设计工艺也得到了快速的发展，其中大跨度桥梁设计工艺成为今后桥梁设计中的主要应用方向，本文就以此为中心，结合工作实际，对公路桥梁设计中大跨度桥梁设计技术的应用问题进行了分析论述，希望通过本文论述能够对今后桥梁的设计工作起到一定的帮助作用，更好的实现大跨度桥梁设计技术的应用。

参考文献：

[1] 韩培发蔡元兵大跨度桥梁设计在公路桥梁中的應用房地产导刊，2013年第17期

[2] 戴晖公路桥梁中大跨度桥梁设计的应用中华民居旬刊，2014年第27期

[3] 朱剑大跨度桥梁设计在公路桥梁中的应用民营科技，2012年第12期

[4] 孙勇大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术江西建材，2013年第7期

[5] 赵君黎冯苠刘晓娣中国大跨径公路桥梁设计规范关键问题探讨江西建材，2009年第05期

作者：刘德杰薛艳梅

第二篇：桥梁美学在“大跨度桥梁”课程的教学探索

摘要：“大跨度桥梁”作为桥梁工程专業后期的专业选修课程，主要从力学分析入手讲解大跨度桥梁的基本设计方法与施工过程。本文论述了在“大跨度桥梁”课程教学当中通过适时引入桥梁美学的相关内容，重点通过案例分析讨论等教学手段，使学生了解桥梁美学的分析法则，初步形成桥梁美学的认知能力。

关键词：桥梁美学；大跨度桥梁；桥梁造型；教学体系

一、前言

“大跨度桥梁”作为交通土建工程或桥梁工程专业课程通常安排大学后期学习，主要安排讲解斜拉桥、悬索桥等内容。该课程主要针对已有的大跨度桥梁结构形式分别加以论述，介绍斜拉桥、悬索桥等结构形式的特点及设计理论、施工方法，使学生初步具有解决大跨径、较复杂桥梁问题的能力[1]。

受我国长期土木工程结构一贯秉承的“实用、安全、经济、适当兼顾美观”的观念影响，大量设计类同、美学景观价值不大的桥梁成批修建，影响了桥梁结构还兼顾地方景观标志的功能展现[2]。随着近年观念的逐渐转变，社会对桥梁美观的要求逐步得到提高，但工程设计界目前具有相关知识的人才不足，尤其是懂结构美学的桥梁工程师比较缺乏，导致设计片面追求“新、奇、特”，反而使桥梁美学走偏[3]。

二、大跨度桥梁与桥梁美学教学结合应用探讨

1.大跨度桥梁与桥梁美学教学现状。目前多数工科院校相关专业并未开设“桥梁美学”课程，上海应用技术大学土木工程的交通土建方向专业亦如此；同时受整体教学课时的限制，短期我校也不具备增设该专业选修课程的前提条件。通过“大跨度桥梁”实践教学可以看到目前教学体系培养的学生具有相对较强的结构力学分析能力，然而较为缺乏结构造型分析能力，因此如何在其专业培养过程中在有限的教学计划安排中能够让学生初步形成将结构与造型美学联系起来分析的能力成为当前教学的一个难题和急需解决的问题。

2.桥梁美学教学应用探索。为在“大跨度桥梁”课程中引入桥梁美学的概念，本课程首先探索在介绍已建大跨度桥梁工程背景时，着重介绍了“20世纪最美丽的桥梁”。该活动是1999年世界30位著名桥梁工程师、建筑师和学者评选的20世纪最美丽桥梁，其中包括悬索桥3座、斜拉桥5座、拱桥3座、梁桥4座。课堂重点分析了其中的美国金门大桥、法国诺曼底大桥、日本多多罗大桥以及香港汀九大桥，上述四座桥梁既是大跨度桥梁的代表之作，同时又是将桥梁结构与造型美观协调统一的典型。其中美国金门大桥造型优美，比例协调，为桥梁工程的一颗明珠；法国诺曼底大桥是一座和当地景观完美协调的斜拉桥；日本多多罗大桥是20世纪最大跨度斜拉桥，与濑户内湖的多岛景观相协调，具有东方神秘的美感；香港汀九大桥是混合结构的杰作，艺术和技术的统一，一艘就绪启航的“帆船”。

通过分析上述四座大跨度桥梁的结构造型及其美学特点，让学生了解桥梁美学的分析法则，初步形成桥梁美学的认知能力。美学基本法则主要包括：比例、对性、韵律、均衡、风格、色彩与材质等。

三、大跨度桥梁桥塔的造型与美学教学结合

桥塔作为缆索承重桥梁的主要构件在“大跨度桥梁”课程会进行详细论述，主要内容包括：（1）桥塔形式，包括沿桥纵向和横向的布置形式；（2）桥塔高度；（3）桥塔截面。桥塔结构作为缆索承重桥梁的主体构件要素在力学上起着重要的作用，其高耸挺拔的风姿引人注目，起着象征和标志作用，是桥梁景观中最重要的因素之一。恰当的造型设计使得桥塔在蕴藏自身力量感的同时，又孕育着向高空伸展，刺破青天的动势，从而使桥塔具有高扬功能与动态美[4]。

1.桥塔形式。桥塔造型形式多变，纵桥方向通常可分为独柱式、A字型和倒Y型等，横桥方向通常可分为独柱型、双柱型、门型、H型、A型、宝石型和倒Y型等，如图2所示。塔柱造型又可分为柱式桥塔、框架式桥塔以及拱形桥塔，其中柱式桥塔常用在斜拉桥中，构造简洁，视觉连续，具有较好的传力效果；框架式桥塔是采用杆件（横梁）将两根单柱连接起来，既加强了桥塔的刚度，也形成了视觉上的连续；拱形桥塔多应用于宽桥体系上，多应用于跨度不大的城市景观桥梁。框架式桥塔的横向连接带来了稳定的感觉，为表现动感通常将塔柱间距向下逐渐加宽延伸，给人以坚挺的力感和雄踞屹立的形象[5]。

2.桥塔高度。桥塔的高度主要是由其力学性质决定的，同时兼顾与主跨跨径和缆索结构之间造型比例的视觉效果。通常对于双塔斜拉桥塔高与主跨的比例宜选用0.18—0.25，独塔斜拉桥塔高与主跨比宜选用0.30—0.45；而悬索桥塔高与跨径比不宜超过0.25。

3.桥塔截面。桥塔截面的选定除了满足缆索承重桥梁的强度、刚度及稳定要求以外，还可以在截面局部范围进行“切角”或“凹槽”处理，在不明显影响塔柱有效截面前提下，采用凹、凸、十字、圆弧型等切角，在塔柱表面能够产生纵向线条，再加上光影效果，丰富了表面变化，增强了桥塔的耸立感；同时还能有效降低风阻，增强结构的抗风稳定性[6]。

四、结语

本文通过在“大跨度桥梁”教学过程中有选择性地介绍桥梁美学相关知识，取得了一些初步的成效，主要体会如下：

1.通过有重点有选择性地介绍最美桥梁的造型特点，让学生建立了初步的美学评判准则，使学生懂得欣赏桥梁的美。

2.通过有重点性地分析桥塔结构受力特点与造型美观的协调统一，结合案例讨论了美学知识的应用，加深了学生对桥梁美学知识的理解。

3.通过将力学分析与桥梁美学相结合的教学尝试，丰富了课堂教学内容，进一步调动了学生课堂学习的积极性，该教学方式也值得进一步探索应用。

参考文献：

[1]胡晓伦，王慧萍.大跨径桥梁教学中的“求真务实”[J].教育教学论坛，2015，（10）：141-142.

[2]余丹如.桥梁美学漫谈[J].国外公路，1998，（01）：5-9.

[3]梁艳，李亚东.土木专业综合课程教学改革与实践——以基于SRTR项目的桥梁美学为例[J].高等教育研究，2015，32（03）：18-20+41.

[4]林选泉，张芳途，刘月琴.斜拉桥主体构件景观设计[J].城市道桥与防洪，2005，（05）：8-11+1.

[5]涂静.缆索支承桥梁桥塔的造型及其力学特性[D].长安大学，2005.

[6]赵敏，郑国栋.悬索桥造型设计的美学分析[J].北方交通，2008，（10）：68-71.

作者：艾辉林

第三篇：大跨度竹质桥梁模型数值模拟与优化设计

[摘要] 利用计算机仿真软件模拟模型结构在受力状态下的应力和应变状况，能发现模型结构的应力应变集中部位，借此可以优化模型结构，提高模型结构设计水平和设计质量。以2018年湖南省第六届大学生结构设计竞赛为例，首先，通过研读竞赛规则设计初始模型;其次，对初始模型进行计算机建模分析，得出模型的应力应变云图;再次，通过计算机模型和实际模型进行对比分析，发现模型的应力集中部位和结构薄弱构件;最后，优化调整模型构件节点位置和构件尺寸确定参赛模型。结果证明，利用计算机模拟优化调整下的模型可以满足竞赛规则规定的挠度和承载力要求，优化后的模型在竞赛中具有一定的竞争力。

[关键词] 竹质模型;计算机模拟;结构设计竞赛;应力应变;结构优化

大学生结构设计竞赛可通过专业知识的综合运用，多方面培养大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，学生的参与度高，影响范围大，越来越受到学校和社会的重视。

随着计算机辅助设计技术的发展，利用计算机软件对现实中的结构进行设计和优化已成为一种趋势，竹质材料[1-3]和纸质材料[4-5]结构模型的模拟优化都已成功运用在结构模型制作中。

本文针对2018年湖南省第六届大学生结构设计竞赛——竹质双车道桥梁结构设计与制作，利用计算机仿真软件对模型进行内力与变形计算分析，并根据结果进行结构与构件的优化设计。

一、竹质模型的选型与制作

(一)模型的选型

通过对桥梁结构形式进行比较和对竞赛规则进行解读，模型选型受湘西矮寨大桥结构形式的启发，在模型制作上拟采用大跨度条形纵梁桥面，在桥墩上方的桥塔顶部设置斜拉杆以满足赛题中的第一阶段移动荷载的挠度要求;拟采用斜拉杆结构配

合悬索结构，能够极大地发挥出竹质材料本身受拉性能强的特点，在力求模型质量轻且稳定性好的情况下，为桥梁提供良好的竖向承载能力，以满足第二阶段极限竖向加载的要求。

(二)模型的制作

竹质材料相对于其他材料，优点突出，缺点也明显。优点是强度较高，制作工艺相对简单;缺点是由于竹节的存在以及在加工过程中竹纤维的错断，材料的均质性较差，模型性能不稳定。在模型制作早期，为了能提供较大的竖向荷载、减小移动荷载下桥面结构的沉降，采用斜拉桁架结构形式，结构是比较稳固的，但模型重量较大，而且承受极限荷载时挠度超过竞赛规则要求。经过多次试验发现，采用弧形悬索结构的悬吊桥面，并在模型固定时对桥面施加预应力，可以很好地解决挠度问题。

二、有限元模型仿真模拟

(一)模型的建立

严格按照模型实际的尺寸建立三维模型，模型桥面總高度为300 mm，桥面总长为度1120 mm。以模型底部中心为零点，约定模型右侧为X轴正坐标，模型正前面为Z轴正坐标，模型竖向往上为Y轴正坐标。在计算机中的模型结构如图1所示。

(二)模型计算参数设置

根据竹质材料供应商提供的竹质材料的相关物理力学参数如表1所示。

模型梁、柱、撑构件采用BEAM4单元模拟，拉杆构件采用LINK 10单元模拟(只受拉力)，桥面用SHELL63单元模拟。对模型的固定端设置合理的约束，网格划分采用四边形单元划分。

模型采用m-N-s单位，在模拟计算中视竹质材料为各向同性均质材料，构件节点的连接为刚接[2-3]。根据赛题的要求对模型的加载分阶段进行，模拟模型最不利加载情况，将计算所得的内力和位移数值作为构件优化设计的依据。

(三)有限元模拟计算

模型有限元计算主要模拟真实竞赛中模型的加载及受力变化情况，完全按照竞赛规则对模型加载，模拟时主要考察模型构件应力集中的部位以及这些部位构件的轴力、弯矩和剪力。以模型跨中最不利位置在第二阶段的加载情况为例，模型的轴力、弯矩、剪力和位移云图分别如图2～图5所示。

模型在各阶段和各工况下最不利位置的应力应变极值如表2所示。

(四)模型分析

综合模型各应力云图和表2分析可以得出：

1.第一阶段加载模拟。标准小车移动加载在桥面正面最右侧部位时模型结构的Y方向位移为2.95 mm，但标准小车移动加载在桥面跨中部位时Y方向位移为12.91 mm，大于规定的10 mm，因此在模型跨中位置可以适当增大桥面横梁的截面积，以减小桥面通车的挠度。

2.第二阶段加载模拟。在模型跨中部位施加30 kg以内荷载时，模型的抗拉强度极大值小于竹质结构的抗拉强度;当施加40 kg荷载时，模型的抗拉强度极值大于竹质结构的抗拉强度，模型便会发生失稳破坏。在这一阶段，模型拉应力主要集中在拉杆和拉索上，跨中部位横纵构件相连的节点处应力集中且变形量较大，若要实现模型满足极限荷载40 kg的抗拉强度要求，则需要改变模型的节点位置或增大拉杆或拉索的截面积。

三、基于计算机仿真模拟竹质结构模型的优化

(一)结构体系的优化

结合计算机仿真模拟得出模型结构的最不利位置和应力应变集中部位，特别是对挠度最大值所在的跨中部位的各构件进行了优化，并根据模型计算结果，在模型构件内力集中和变形较大的部位采取制作工艺上的节点加强和增加拉杆构件来达到增强模型承载力和增加荷重比的目的。

(二)模型结构细节的优化

结合计算机仿真模拟结果，在一些结构和细节方面进行了针对性的优化，此外在构件节点部位的搭接处理、制作工艺及制作精度上也做了优化。

例如，桥梁居中位置的横梁构件由T型梁改为箱型梁(如图6所示)。T型梁虽然能够满足桥梁正常状态下的使用，但布置在桥梁居中位置的改良箱型横梁能够满足桥梁极限加载过程，同时相比传统箱梁减小了自重。

通过分析发现竹质悬索抗拉强度足够大，索具由3 mm×3 mm优化成1 mm×6 mm，辅助在构件节点处涂抹少量竹屑混合胶水用以加强连接。竹悬索如下图7所示。

(三)优化后的模型试验

由于竹质材料性质、制作工艺等不稳定性，需要制作多组模型以进行破坏性试验来验证模型的可靠性，使模型既要满足赛题规则又要力争“荷重比”最优。

通过多次优化，优化后的实际模型加载情况与计算机模拟情况较一致，模型自重从最初的540 g降低至最终的168 g，具备满足赛题的各项极限加载要求。最终定型的模型如图8所示。

四、结语

大學生结构设计大赛竞争愈发激烈，仅靠传统力学进行分析，设计出来的作品难有竞争力，所以很有必要利用计算机对模型进行模拟和优化设计，以提高分析水平和设计质量，做出有竞争力的作品。通过优化改进，本模型在竞赛中获得湖南省二等奖、排名第二的成绩。