大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計綜述

肖勃

（重慶市設(shè)計院 重慶市 400015）

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計綜述

肖勃

（重慶市設(shè)計院 重慶市 400015）

我國交通事業(yè)的快速發(fā)展帶動了大跨度橋梁施工工程的進(jìn)步，且其的安全運營直接影響著整個交通運輸事業(yè)的順利發(fā)展?，F(xiàn)階段，不斷增多的大跨度橋梁工程數(shù)量致使其結(jié)構(gòu)形式逐步向多樣化、復(fù)雜化發(fā)展。但隨著大跨度橋梁使用年限的增長和運輸量的增多，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了或多或少的問題，因此，建筑企業(yè)必須對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)實行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而避免相關(guān)質(zhì)量問題及安全問題的出現(xiàn)，促進(jìn)我國交通事業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。本文簡單分析了大跨度橋梁的定義，并詳細(xì)介紹了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要求及其具體的優(yōu)化設(shè)計。

大跨度橋梁；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

引言

目前，隨著我國橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步，對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求也在逐漸變高，且其在建設(shè)過程中應(yīng)遵循安全、適用、經(jīng)濟(jì)的基本原則，促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用定值設(shè)計方法，但其既不能很好的描述并處理橋梁結(jié)構(gòu)中客觀存在的不確定因素，也無法對安全、適用、經(jīng)濟(jì)方面的各項指標(biāo)進(jìn)行定量的分析計算，甚至無法科學(xué)合理的協(xié)調(diào)指標(biāo)間的矛盾，進(jìn)而使其無法達(dá)到平衡的狀態(tài)。隨著社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式已無法滿足現(xiàn)今大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求，因此，加大對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究與分析至關(guān)重要，并在此基礎(chǔ)上采用適宜的技術(shù)參與施工建設(shè)，從而最大限度的提升我國大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

1 大跨度橋梁概述

我國的大跨度橋梁通常處于公路交通運輸樞紐的重要位置，是道路生命工程的關(guān)鍵組成部分。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨度橋梁進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，其形式結(jié)構(gòu)逐漸向多樣化、復(fù)雜化發(fā)展。雖然目前我國的橋梁技術(shù)已經(jīng)能夠很好的解決大跨度橋梁中出現(xiàn)的問題，但隨著橋梁跨度的逐漸增多，并向著更長、更大、更柔的趨勢發(fā)展，出現(xiàn)的問題也在不斷的增加。在這種情況下，為了更好地保證大跨度橋梁建設(shè)的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易性以及外表的美觀性，橋梁的施工人員應(yīng)加大對其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化與施工質(zhì)量的強(qiáng)化力度，進(jìn)而更好地發(fā)展我國的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

2 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要求

2.1 安全性

在進(jìn)行正常的橋梁結(jié)構(gòu)施工及使用時，橋梁結(jié)構(gòu)需承受各種可能出現(xiàn)的壓力，這些壓力主要包括振動過程中的恢復(fù)力、荷載引起的內(nèi)力以及由約束變形、外加變形所引起的內(nèi)力。且橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計中規(guī)定的偶然事件發(fā)生的全過程，依舊需要保持施工要求的整體穩(wěn)定性，從而避免發(fā)生橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌或連續(xù)破壞的狀況。

2.2 適用性

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行正常的使用時，具備良好的工作性能，其可以很好的防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形現(xiàn)象或者產(chǎn)生寬度過大的裂縫，進(jìn)而避免正常使用時振動狀況的發(fā)生。

2.3 耐久性

在對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行正常的定期維護(hù)時，需具有一定程度的耐久性能，其中包括不發(fā)生混凝土的嚴(yán)重風(fēng)化和鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在工程規(guī)定工作環(huán)境和預(yù)訂時期內(nèi)，其材料性能的惡化不會使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生無法接受的失敗概率，這就是所謂的足夠的耐久性能。從工程概念的角度來說，足夠的耐久性有不同的解釋，即為在正常維護(hù)條件下，橋梁結(jié)構(gòu)可以使用到設(shè)計中規(guī)定的年限。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性共同構(gòu)成了其可靠性。所謂橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，就是在規(guī)定的時間和條件下，完成結(jié)構(gòu)的預(yù)訂功能的能力。且結(jié)構(gòu)設(shè)計余量的增大，可以有效改善結(jié)構(gòu)的可靠性，但這種方式會提高工程結(jié)構(gòu)的造價，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)依據(jù)實際的工程情況，做好結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾處理，從而真正的做到經(jīng)濟(jì)合理。

3 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

大跨度橋梁建設(shè)存在難度系數(shù)高、施工項目復(fù)雜、施工環(huán)節(jié)較多、施工工期相對較長等特點，因此，為了使整個工程達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，并保證大跨度橋梁建設(shè)工程的順利竣工，需注意以下幾個方面的處理：

3.1 局部優(yōu)化

局部最優(yōu)雖然不能與整體最優(yōu)等同，但它卻不僅對整體最優(yōu)有益，還可以推動橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展?；诰植康膬?yōu)化設(shè)計變量相對較少，其研究難度也得到了最大限度的減小，這使得對其研究的深度更加的透徹。現(xiàn)階段，我國對大跨度橋梁的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究已包含到大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工的整體過程。

3.2 加勁梁橫截面的優(yōu)化

目前，鋼梁、混凝土梁、混合梁以及疊合梁是我國主要的大跨度橋梁中的加勁梁。依據(jù)對全世界已建成的大跨度橋梁的統(tǒng)計，斜拉橋及懸索橋的跨度分別排在世界排名的前12位，其主跨加勁梁形式大多為鋼梁，鋼與混凝土結(jié)合梁以及混凝土梁的應(yīng)用相對較少且其跨度較小。

3.3 斜拉索或主纜的動力優(yōu)化

現(xiàn)階段，我國的大跨度橋梁主要有斜拉橋、懸索橋和其他的一些新型橋梁樣式。雖然這些橋梁的稱謂不同，作用和施工方式也不同，但卻有一個共同的特點，就是這些橋梁都是由纜索支承的，且其橋面較柔，屬于柔性結(jié)構(gòu)。在外部因素的激烈影響下，拉索極易產(chǎn)生意想不到的大幅度震動，這些大幅振動會推進(jìn)拉索錨固端的疲勞，并在一定程度上降低拉索的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)?yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量。因此，大跨度橋梁的動力問題就顯得尤為重要。

3.4 索力調(diào)整優(yōu)化

隨著橋梁跨度的逐漸增大，其收縮徐變以及非線性條件等方面的影響會越來越顯著，但最終控制主梁應(yīng)力和線形的直接因素依舊是斜拉索力和施工時的立模標(biāo)高，因此，確定合理索力對斜拉橋的材料用量及結(jié)構(gòu)安全性是保證橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量的基礎(chǔ)。目前，國際橋梁界對于索力調(diào)整的理論研究主要集中確定為以下幾個方面：①指定受力或位移狀態(tài)下的索力優(yōu)化。②無約束的索力優(yōu)化。③有約束的索力優(yōu)化。④影響矩陣法。

3.5 索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

索塔的優(yōu)化主要是塔高及受力合理性方面的優(yōu)化。若塔太高，則會給施工帶來一定的困難，進(jìn)而增加施工工程造價。而塔太矮，就會降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索間的受力。因此，單獨優(yōu)化塔高是一種不經(jīng)濟(jì)的行為，在這時，應(yīng)全面的、綜合的塔高與其他部分的優(yōu)化。

3.6 橋墩及基礎(chǔ)優(yōu)化

橋墩是大跨度橋梁的主要受重部分，橋梁建設(shè)技術(shù)與橋梁建設(shè)材料的選用直接影響著橋梁的整體施工質(zhì)量，且在橋墩施工開始前，應(yīng)系統(tǒng)的考察橋梁選址附近地區(qū)的地質(zhì)條件、水溫以及水文等因素，并在考察得出的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理。

3.7 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也得到了相應(yīng)的發(fā)展。目前，雖然我國對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究已從尺度優(yōu)化逐漸轉(zhuǎn)為形狀優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化，但在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究卻還停留在尺寸優(yōu)化層次。現(xiàn)階段，我國主要的拓?fù)鋬?yōu)化方式有以下四種：離散化連續(xù)體優(yōu)化準(zhǔn)則法、遺傳算法、均勻化方法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，其中，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是目前大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的一種優(yōu)化技術(shù)，它具有概念簡潔和計算效力較高等特點，并因此得到了橋梁施工企業(yè)的大力重視。但目前我國的大多數(shù)工程都是由混凝土和鋼材組成的，且混凝土具備較高的抗壓強(qiáng)度，而鋼材具備良好的抗拉性，所以，我國對拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的研究還正處于開始階段，有許多未知的問題還沒能得到較好的解答。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁已成為公路中重要的一部分。雖然橋梁的優(yōu)化并不等同于公路的最優(yōu)，但其卻能很好的促進(jìn)公路建設(shè)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，并最大限度的推動大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的順利發(fā)展。只有嚴(yán)格遵循橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)時需遵循的原則，才能保證公路工程的最優(yōu)，才可有效促進(jìn)交通事業(yè)的快速發(fā)展。

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[2]張海江.山區(qū)大跨度橋梁設(shè)計探討[J].建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2013（12）：314～315.

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U442

A

1673-0038（2015）24-0313-02

2015-5-25

肖勃（1985-），男，工程師，碩士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計類工作。