結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在公路橋梁設(shè)計中的研究與應(yīng)用

【摘 要】近幾年，我國公路橋梁建設(shè)速度加快，其結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展的越來越成熟，與此同時，要想在快餐文化中設(shè)計更好的公路橋梁，需打破常規(guī)優(yōu)化設(shè)計理念，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計融入其中，在借助計算機(jī)技術(shù)的功能下，將優(yōu)化設(shè)計理念充分融入到公路橋梁設(shè)計之中，進(jìn)而使公路橋梁設(shè)計體現(xiàn)出“安全、美觀、經(jīng)濟(jì)、適用”的基本特性。筆者在結(jié)合多年自身經(jīng)驗(yàn)后，對公路橋梁設(shè)計中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對其探討公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法，為同行之人提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；公路橋梁；設(shè)計

現(xiàn)如今，在我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，現(xiàn)代化交通網(wǎng)在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的同時，對公路橋梁的建設(shè)有所影響。在交通事業(yè)的發(fā)展中，各種江河、溝谷以及線路對道路的建設(shè)有所阻礙，需對其采取針對性講解措施，使其成為道路建設(shè)中的主要組成內(nèi)容。[1]在20世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步讓人們對公路橋梁的建設(shè)有了新的認(rèn)識，并提出新的要求，華夏大地中的各種立交橋、高架橋、海峽大橋等成為了地球上最為美麗的風(fēng)景線。因此，在公路橋梁建設(shè)中，使其作為工程實(shí)體與空間藝術(shù)，是當(dāng)前公路橋梁中的主要涉及理念。

一、現(xiàn)階段公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計緩慢的原因

現(xiàn)如今，雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在公路橋梁的建設(shè)中受到重視，但是其應(yīng)用范圍比較狹窄。主要的原因不僅是工程師設(shè)計取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，還包括以下幾點(diǎn)：

（一）公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計存在不確定性

現(xiàn)階段，公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計存在不確定性，比如外部環(huán)境具備不確定性，結(jié)構(gòu)本身具備不確定性，結(jié)構(gòu)整體分析中模型簡化的誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具備不確定性等。[2]因此，為從根本上對該類不確定因素進(jìn)行考慮與分析，需加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)可靠理論的理解與認(rèn)識。

（二）公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則具備多重性

公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則的多重性主要包括三個方面，分別是公路橋梁承載能力極限狀態(tài)設(shè)計、在正常使用中的極限狀態(tài)、與其它功能進(jìn)行聯(lián)合使用時所體現(xiàn)出的極限狀態(tài)。[3]

（三）結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)具備多樣性

從公路橋梁的整體角度而言，人們不僅要對其結(jié)構(gòu)造價進(jìn)行考慮，并且還要根據(jù)不同的功能下所產(chǎn)生的失效效率以及失效損傷所造成的損失期望、維修成本等一系列經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析。除此之外，目標(biāo)函數(shù)本身的性質(zhì)比較特殊、復(fù)雜，不僅要設(shè)計變量的顯式函數(shù)，并且還要對變量的隱式函數(shù)進(jìn)行設(shè)計，將結(jié)構(gòu)造價與結(jié)構(gòu)損失期望進(jìn)行緊密結(jié)合，改變結(jié)構(gòu)優(yōu)化中產(chǎn)生的單調(diào)性。

（四）結(jié)構(gòu)設(shè)計變量具有離散性

在建筑施工的過程中，由于施工條件因素，橋梁工程結(jié)構(gòu)中的設(shè)計變量過于離散，并且在受到非常大的約束條件下，所形成的實(shí)際公路橋梁工程中的設(shè)計變量受到施工因素的影響，所產(chǎn)生的數(shù)量比較少。

（五）約束條件的數(shù)目具有龐大性與復(fù)雜性

為了從根本上使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠符合現(xiàn)在的公路橋梁要求，需對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行各種規(guī)范要求，其中，現(xiàn)行的規(guī)范對結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、結(jié)構(gòu)的類型產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)定，并且涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計的諸多方面，所形成的性質(zhì)差距比較大，無論是從尺寸約束還是到剛強(qiáng)約束，無論是從構(gòu)建單元約束還是到結(jié)構(gòu)體系約束，都會在正常的極限狀態(tài)下形成最終極限狀態(tài)。

因此，要想從根本上使公路橋梁能夠在規(guī)范條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，則需要營養(yǎng)科學(xué)、合格的優(yōu)化方式，對實(shí)際公路橋梁工程的優(yōu)化模型進(jìn)行簡化，使簡化后的模型與實(shí)際情況差距減小，進(jìn)而適用于實(shí)際公路橋梁工程之中。

二、基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

在科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展中，結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求逐漸提高，其中，基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在順應(yīng)這一發(fā)展趨勢的情況下，逐漸成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)中最具影響性的熱點(diǎn)話題。

（一）基于可靠度的公路橋梁優(yōu)化設(shè)計

基于可靠度的優(yōu)化模式最早是有Forsell所提出的，F(xiàn)orsell將公路橋梁建設(shè)中的總耗費(fèi)作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，并將可靠性與優(yōu)化之間的關(guān)系進(jìn)行分析與研究，進(jìn)而提出了結(jié)構(gòu)失效概率在優(yōu)化過程中所體現(xiàn)的均衡性與合理性，并且認(rèn)為真正的優(yōu)化設(shè)計需要在各種負(fù)荷作用的性能下進(jìn)行。[4]

橋梁結(jié)構(gòu)的服役期是比較長的，如果不對其進(jìn)行維修，其功能會得到減弱，因此對其采取有效的維修方式是非常重要的。另外，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度如果越高，那么橋跨建設(shè)的初始成本會得到提高，橋梁結(jié)構(gòu)的維修加固費(fèi)用則會建設(shè)。見圖1。因此，設(shè)置優(yōu)化設(shè)計的可靠度，能夠從根本上減少橋梁結(jié)構(gòu)服役中總耗費(fèi)。

（二）結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型設(shè)計

基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行優(yōu)化，在對其設(shè)計中需要將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1、結(jié)構(gòu)可靠度的最優(yōu)分配

在不受到其它因素的影響下，積極尋求結(jié)構(gòu)可靠度的最優(yōu)分配需要求解以下公式：求Psi i=1，2，？，K min W=C+L

其中，W是目標(biāo)函數(shù)，C是工程造價，L則是結(jié)構(gòu)的損失期望，K是構(gòu)件的數(shù)量。[5]

在上述模型中，能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)的不同情況進(jìn)行分析與研究，其中，C與L之間的表達(dá)形式不同，所以需尋求最佳表達(dá)方式。另外，在結(jié)構(gòu)可靠度的分配模式中，需采用目標(biāo)函數(shù)，W=C+L，使其作為轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，將問題進(jìn)行簡化處理。在整個數(shù)學(xué)求解的規(guī)則中，Psi i=1，2，？，K能夠?qū)⒆顑?yōu)可靠度進(jìn)行決策，并且從近期效益出發(fā)，將投資條件進(jìn)行整合，使其作為安全指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化在公路橋梁設(shè)計中的方向

在對基于可靠度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究中，需要對以下問題進(jìn)行研究：

（1）要根據(jù)公路橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定符合的優(yōu)化模型。

（2）要對橋梁結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)件的邏輯關(guān)系進(jìn)行研究。其中，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論之中，串聯(lián)系統(tǒng)是運(yùn)用比較廣泛的，因此，將公路橋梁的結(jié)構(gòu)劃分為相應(yīng)的串聯(lián)單位，能夠?qū)栴}進(jìn)行簡化。

（3）要對構(gòu)件失效模式與失效之間的相關(guān)性問題進(jìn)行研究。在可靠性計算之中，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化是極其重要的組成部分，因此，為從根本上對各個構(gòu)件之間的相關(guān)性與失效模式進(jìn)行合理考慮是極其重要的。否則會產(chǎn)生一定的誤差。

（4）對公路橋梁結(jié)構(gòu)中的控制作用所產(chǎn)生的失效模式進(jìn)行研究，將主要矛盾進(jìn)行了解，對問題進(jìn)行簡化處理。

（5）對橋梁結(jié)構(gòu)造價以及可靠度之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行研究，對其結(jié)構(gòu)失效損失值的估計方法進(jìn)行了解。

三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在公路橋梁中的應(yīng)用原則

（一）如果力的傳遞路線比較直接，那么結(jié)構(gòu)的重量就會變輕。

（二）要選擇比較合適的截面形式與剛度配置，促使內(nèi)力與位移之間的分布合理，結(jié)構(gòu)的重量則會更輕。[6]

（三）對各種材料進(jìn)行組合，并與結(jié)構(gòu)的受力特征與幾何特征進(jìn)行結(jié)合，將不同材料的優(yōu)良性能進(jìn)行充分發(fā)揮，知識結(jié)構(gòu)重量變輕。

（四）積極發(fā)揮出受力構(gòu)件的潛能，在根據(jù)所提方案中的要求，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計情況進(jìn)行規(guī)范，并且在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計的時候，要充分發(fā)揮出受力構(gòu)件在設(shè)計情況中的影響，從根本上節(jié)省材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹森，楊彥軍. 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計綜述[J]. 山西建筑，2009，07：348- 349.

[2]王海蛟. 基于可靠度理論下的公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，02：124.

[3]涂西軍. 公路橋梁工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)可靠度理論的應(yīng)用[J]. 交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2013，06：295- 296.

[4]包善發(fā)，陳偉平. 城市橋梁與公路橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)對比與思考[J]. 中國水運(yùn)（下半月），2013，08：241- 242+311.

[5]張輝，王春曉，李聞濤. 公路橋梁設(shè)計的安全性和耐久性研究[J]. 交通企業(yè)管理，2014，01：51- 52.

[6]楊敏波. 市政公路橋梁設(shè)計中的安全性和耐久設(shè)計探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，21：185.

個人簡介：

姓名：郭春蘭，性別：女，籍貫：江西吉安，出生年月：1983年2月，

單位：江西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，學(xué)歷：本科，職務(wù)，工程技術(shù)人員

研究方向：公路與橋梁設(shè)計、咨詢