結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李艷暉

（江蘇淮安交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司揚(yáng)州分公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

在設(shè)計(jì)道路橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，遵守的基本原則就是安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常選用定值設(shè)計(jì)法，主要目的就是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，達(dá)到最低水平的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法對橋梁結(jié)構(gòu)中存在的許多不確定因素不能進(jìn)行描述與處理，也不能對適用、經(jīng)濟(jì)和安全等指標(biāo)進(jìn)行定量性的分析計(jì)算，對這些指標(biāo)之間的矛盾無法進(jìn)行調(diào)和，很難達(dá)到三者的均衡。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的問題，在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用得到證實(shí)，有非常廣闊的前景。

1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的必要性

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)流程首先是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷制定初始的設(shè)計(jì)方案，包括材料的選擇、總體的布置、制造的工藝和結(jié)構(gòu)尺寸等方面；接著是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；最后進(jìn)行力學(xué)分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否可行，并根據(jù)不同情況進(jìn)行修改。這種設(shè)計(jì)方法，只是對施工方案的可行性與安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，不能夠做到最優(yōu)的設(shè)計(jì)，很難滿足對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求日益復(fù)雜的要求，因此，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)變得尤為必要。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的方法主要是基于自頂向下細(xì)化、模塊化和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)等程序設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展而來的，主要的思想就是把設(shè)計(jì)分為具有單一功能且相互獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)，主要包括詳細(xì)設(shè)計(jì)和概要設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)主要通過結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)階段的描述。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅是道路橋梁發(fā)展的需要，也是道路橋梁設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)選擇。

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的不同計(jì)算模型

2.1 離散化結(jié)構(gòu)

在道路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要把結(jié)構(gòu)的無限自由度轉(zhuǎn)化為有限的自由度，也就是把整個(gè)結(jié)構(gòu)分為有限個(gè)部分，這種劃分就把整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了離散化的劃分。這種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)形成的離散化的結(jié)構(gòu)有利于受力分析，更容易進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

2.2 模型化結(jié)構(gòu)

道路橋梁設(shè)計(jì)中要運(yùn)用力學(xué)原理對各種結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠做到抓住主要矛盾對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化處理，模型化的結(jié)構(gòu)使整個(gè)設(shè)計(jì)變得更加具體，易于施工的正常進(jìn)行。

2.3 簡化的材料和荷載

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)通常會假設(shè)結(jié)構(gòu)的材料是具有理想塑性和理想彈性的，而且用有限的參數(shù)來模擬具有無限自由度的隨機(jī)荷載。這些有限的參數(shù)可以是具有概率特性的參數(shù)，也可以是解析式的參數(shù)。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使材料和荷載在計(jì)算時(shí)變得更加簡化，也利于更好的進(jìn)行施工前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

要想使計(jì)算結(jié)果能夠吻合實(shí)際的結(jié)構(gòu)狀況，在很大程度上取決于對計(jì)算模型的選取，因要慎重的選擇計(jì)算模型，要保證選取的計(jì)算模型能夠真正地反映出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。選取計(jì)算模型時(shí)，要充分考慮結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體情況，具體情況具體分析，從而制定出最合理的計(jì)算模型。

3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)常用的解法

3.1 圖解法

圖解法適合各種二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，圖解法的基本思想就是把一個(gè)設(shè)計(jì)變量作為橫坐標(biāo)，另一個(gè)設(shè)計(jì)變量作為縱坐標(biāo)，做出符合兩種約束條件的曲線圖形，進(jìn)而得到上下界限的約束區(qū)域，在約束區(qū)域內(nèi)做出目標(biāo)函數(shù)的等值線，這一系列的等值線與可行區(qū)域的外邊界相切，所得的切點(diǎn)就是目標(biāo)函數(shù)值。

3.2 求解函數(shù)極值

計(jì)算函數(shù)的極值，首先要把約束不等式變?yōu)榈仁叫问?，然后再去消除目?biāo)函數(shù)中的變量，使目標(biāo)函數(shù)變?yōu)閮H含一個(gè)變量的函數(shù)，從而可以求出函數(shù)的最大最小值，達(dá)到結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的目的。

3.3 同態(tài)設(shè)計(jì)法

把不等式約束換作等式約束，縮小了設(shè)計(jì)空間的可行性，這就是同態(tài)設(shè)計(jì)法。這種方法得到的解是劣于原解的，有時(shí)同態(tài)設(shè)計(jì)會得不到解。雖然這種方法有不足之處，但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍然有許多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要用同態(tài)設(shè)計(jì)法來解決。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的同態(tài)設(shè)計(jì)法能使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題變得更易于計(jì)算。

3.4 網(wǎng)絡(luò)搜索的方法

作為一種直觀切原始的方法，網(wǎng)絡(luò)搜索法把問題在一定的范圍內(nèi)劃分成許多的網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)代表不同的設(shè)計(jì)，按照一定的規(guī)律進(jìn)行循序漸進(jìn)的搜索，從而能夠找到代表最優(yōu)解的網(wǎng)格點(diǎn)。使用該法進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，首先要固定一個(gè)變量，在對其他變量進(jìn)行由小到大的驗(yàn)算，在驗(yàn)算時(shí)要使所有的點(diǎn)滿足約束條件。在最后得出的可行的解中，選出最能滿足目標(biāo)函數(shù)的點(diǎn)，這就是所求的最優(yōu)的解。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

（1）選用科學(xué)合理的剛度配置和截面形式，要想使結(jié)構(gòu)的重量盡量輕點(diǎn)，就要把位移與內(nèi)力的分布調(diào)整的更加合理，同時(shí)材料的剛度配置也要符合規(guī)范要求。（2）盡量使力的傳遞路線直接簡單，這樣支承反力才能更好地直接平衡外荷載，從而結(jié)構(gòu)的重量會越輕，利于施工進(jìn)行的同時(shí)還節(jié)約了材料。（3）要符合連續(xù)性的要求，如果使橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，不但使力的傳遞線路簡單直接，還會使結(jié)構(gòu)的受力范圍增大，從而能夠降低結(jié)構(gòu)受到的整體內(nèi)力，還能降低材料用量，節(jié)約成本。（4）設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各種材料的組合，充分結(jié)合結(jié)構(gòu)的幾何形狀與受力特征，各種不同材料的優(yōu)良性能的充分組合，能夠減輕結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。（5）充分研究各主要受力構(gòu)件的性能，發(fā)揮其潛力。橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的施工要求需要在不同的復(fù)雜環(huán)境中工作，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)的各種使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使主要的受力桿數(shù)量減少，要讓受力桿在各種設(shè)計(jì)情況下充分發(fā)揮作用，以期達(dá)到綜合運(yùn)用的目的，從而節(jié)省材料用量，縮減成本。

結(jié)語

近年來我國基礎(chǔ)建設(shè)不斷發(fā)展，道路橋梁建設(shè)作為交通運(yùn)輸業(yè)的核心環(huán)節(jié)，要想取得巨大的發(fā)展進(jìn)步，必須做好施工建設(shè)工作，而要想保證施工很好地進(jìn)行，就要做好施工前的設(shè)計(jì)工作。通過實(shí)踐證明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不但保證了道路橋梁工程的質(zhì)量，還保證了工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用有廣闊的市場前景和使用價(jià)值。

[1]劉剛.道路橋梁設(shè)計(jì)與施工分析[J].民營科技，2012.

[2]李建勛.關(guān)于對道路橋梁設(shè)計(jì)及其施工的分析[J].商品與質(zhì)量：學(xué)術(shù)觀察，2012.