基于施工角度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

摘 要：改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，由此帶動(dòng)了交通運(yùn)輸和公路等行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步；隨著人們生活水平和社會(huì)生產(chǎn)水平的跨越式提高，我國道路和交通承載著巨大的壓力，由此交通業(yè)中現(xiàn)代橋梁的建設(shè)得到人們的廣泛關(guān)注。文章主要對現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性及其在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用進(jìn)行簡要闡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；現(xiàn)代橋梁；設(shè)計(jì)

引言

在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)過程中，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該在遵循基本原則的前提下對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，這就需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，除了考慮結(jié)構(gòu)的基本效能，還應(yīng)該將優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)成果作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。一般來說，由于現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)秉承了安全、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的原則，能夠解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的各種問題，由此現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在道路現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有著廣泛的前景，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效解決現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中存在的一些問題。

1 現(xiàn)代橋梁中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

1.1 現(xiàn)代化建設(shè)需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般來說，傳統(tǒng)的現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)主要流程包括以下幾個(gè)方面：首先，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)方案之前對前人的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐成果進(jìn)行收集并加以借鑒，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對初始的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行判斷和制定，主要包括選擇材料、整體布置、制造工藝的安排和結(jié)構(gòu)尺寸的規(guī)定等方面任務(wù)；其次，根據(jù)各方面情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；最后利用力學(xué)分析的方式，對結(jié)構(gòu)是否可行進(jìn)行分析和判斷，并且根據(jù)實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和完善。由此我們可以明確，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能夠?qū)唵蔚默F(xiàn)代橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且只能夠?qū)κ┕し桨傅目尚行院桶踩赃M(jìn)行保證，無法使工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，難以滿足日益復(fù)雜化的道路現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。而現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅有利于現(xiàn)代橋梁工程的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，保障工程的質(zhì)量水平，也能夠保證現(xiàn)代橋梁工程的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益并行。因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)選擇

與傳統(tǒng)的現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)方法相比而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是由自動(dòng)向下細(xì)化、模塊化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)等程序化設(shè)計(jì)發(fā)展演變而來的，其主要思路是將設(shè)計(jì)分為具有單一功能且相互獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中主要有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是詳細(xì)設(shè)計(jì)，一種是概要設(shè)計(jì)，而這兩種設(shè)計(jì)方法都是通過結(jié)構(gòu)圖對設(shè)計(jì)階段進(jìn)行描述的。例如，橋頭搭板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代橋梁工程應(yīng)用過程中，不僅對搭板寬度、厚度和長度進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對搭板的埋設(shè)深度也進(jìn)行了科學(xué)的計(jì)算和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)相對優(yōu)越的橋頭搭板結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過充分利用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)代橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以更加簡便地運(yùn)算出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且計(jì)算機(jī)計(jì)算的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，促使設(shè)計(jì)的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物更加接近，從而保證道路現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)可避免的錯(cuò)誤。在現(xiàn)代化現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠滿足現(xiàn)代橋梁快速發(fā)展的需求，也是現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)方法的唯一最優(yōu)選項(xiàng)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算模型

2.1 離散化結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)將結(jié)構(gòu)的無限自由度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為有限的自由度，這樣便可以將一個(gè)復(fù)雜的整體分為有限部分，這就是對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化的劃分。離散化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所形成的離散化結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)κ芰顩r進(jìn)行有效分析，還能夠使設(shè)計(jì)施工簡單化。

2.2 模型化結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的自由度的同時(shí)，還應(yīng)該對不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行分析，在分析過程中采用的原理主要是力學(xué)原理，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化具體設(shè)計(jì)過程中不僅能夠抓住主要矛盾對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化處理，還能夠通過模型化結(jié)構(gòu)的處理使整個(gè)設(shè)計(jì)變得更加具體，使整個(gè)施工過程能夠順利進(jìn)行和高質(zhì)量完成。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一般是將結(jié)構(gòu)的材料假設(shè)為具有理想彈性的、具有理想塑性的或者具有理想彈塑性的，并且將無限自由度隨機(jī)載荷作為有限參數(shù)進(jìn)行模擬。這樣，模擬過程與實(shí)際過程相比較而言，模擬過程的材料和荷載在計(jì)算時(shí)就會(huì)變得更加簡單。

2.3 簡化的材料和荷載

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常會(huì)假設(shè)結(jié)構(gòu)的材料具有理想塑性和理想彈性的，并且使用有限的參數(shù)對無限自由度進(jìn)行隨機(jī)荷載的模擬。這些有限的參數(shù)可以是具有概率特征的參數(shù)，也可以是解析式的參數(shù)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使材料和荷載在計(jì)算時(shí)變得更加簡化，也有利于更好地進(jìn)行施工前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，任何情況下的假設(shè)都不能與實(shí)際偏離，最終的目的是保證假設(shè)結(jié)果能夠與實(shí)際吻合，這就必須考慮計(jì)算模型的選擇，保證所選取的計(jì)算模型能夠真正反映出現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，參照多方面影響因素進(jìn)行具體分析。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般解法

3.1 圖解法

一般情況下，對于二維問題的解決采用的基本上都是圖解法。利用圖解法解決二維問題主要是將一個(gè)設(shè)計(jì)變量作為橫坐標(biāo)，將另一個(gè)設(shè)計(jì)變量作為縱坐標(biāo)，由此做出符合兩種約束條件的曲線圖形，從圖形和約束條件中可以確定上界和下界的約束范圍，并且在確定了約束范圍之后，可以在約束范圍之內(nèi)做出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的等值線，這時(shí)，函數(shù)目標(biāo)等值線與可行區(qū)域的外界是相切的，而這切點(diǎn)就是目標(biāo)函數(shù)值，即所需要求的目標(biāo)值。

3.2 函數(shù)極值的計(jì)算

在計(jì)算函數(shù)極值的過程中，應(yīng)該首先將約束不等式轉(zhuǎn)化為等式形式，其次將目標(biāo)函數(shù)中的變量進(jìn)行消除，這樣目標(biāo)函數(shù)便成為只含有一個(gè)變量的函數(shù)，最后求出函數(shù)的最大值和最小值，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 同態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行同態(tài)設(shè)計(jì)主要是指以某些破壞形態(tài)同時(shí)出現(xiàn)作為最優(yōu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，對現(xiàn)代橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在同態(tài)設(shè)計(jì)中，首先是利用等式約束對不等式約束進(jìn)行替換，以達(dá)到縮小可行設(shè)計(jì)空間的目的，而設(shè)計(jì)空間的縮小，不僅能夠得到只能劣于原問題的解，而且在約束為獨(dú)立且約束數(shù)大于變量數(shù)的時(shí)候，同態(tài)設(shè)計(jì)可以是無解的，但是原問題依然是有解的。在實(shí)際工程中卻存在著大量結(jié)構(gòu)構(gòu)件，當(dāng)這些構(gòu)件受壓時(shí)便可以采用同態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對這些構(gòu)件進(jìn)行處理。在處理過程中，如果問題的約束數(shù)和變量數(shù)是相等的，那么優(yōu)化設(shè)計(jì)便只能作為一組代數(shù)方程進(jìn)行求解；如果約束數(shù)是大于變量數(shù)的，那么在設(shè)計(jì)過程中便可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)對約束進(jìn)行必要的刪除，從而區(qū)分出主動(dòng)約束和被動(dòng)約束，在解出變量之后，再將刪除的約束進(jìn)行檢驗(yàn)；如果約束數(shù)小于變量數(shù)，那么應(yīng)該首先對變量之間的關(guān)系進(jìn)行排查和尋找，以此來補(bǔ)充約束方程。

3.4 網(wǎng)絡(luò)搜索法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)搜索法是最直觀、最原始的方法，通過這種方法可以將問題在一定的范圍之內(nèi)劃分為多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，而每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)所代表的設(shè)計(jì)是不同的，所以在搜索時(shí)應(yīng)該按照一定的規(guī)律進(jìn)行，最終找出代表最優(yōu)解的網(wǎng)格點(diǎn)。采用網(wǎng)絡(luò)搜索法對道路現(xiàn)代橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先對一個(gè)變量進(jìn)行固定，然后對其他變量進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算是由小到大的順序進(jìn)行的，這樣才能夠保證所有的點(diǎn)都能滿足約束條件。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

首先，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程中應(yīng)該對剛度配置和截面形式進(jìn)行科學(xué)合理的配置，對位移和內(nèi)力的分布調(diào)整進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，以此減輕結(jié)構(gòu)的重量；其次，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該簡單和直接地對力的傳遞路線進(jìn)行布置，這樣不僅能夠減少施工過程中的材料使用量，還能夠促使外荷載的平衡，從而減輕結(jié)構(gòu)的重量；再者，在道路現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該遵循連續(xù)性的原則，盡量使現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的每一個(gè)部分組成一個(gè)整體，這樣，不僅能夠促進(jìn)力的傳遞路徑的簡單化，還能夠使結(jié)構(gòu)的受力范圍增大，從而達(dá)到節(jié)約成本的效果；最后，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中還應(yīng)該對主要受力構(gòu)件的性能進(jìn)行深入研究，使構(gòu)件在應(yīng)用過程中充分發(fā)揮其潛力，為了減少主要的受力桿數(shù)量，還應(yīng)該對結(jié)構(gòu)的各種使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代橋梁的建設(shè)對于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著舉足輕重的作用，要想完善我國的交通建設(shè)，必須加強(qiáng)現(xiàn)代橋梁的建設(shè)和設(shè)計(jì)工作的管理，使得建設(shè)完成的每一條道路和每一個(gè)現(xiàn)代橋梁都能夠經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為現(xiàn)代橋梁工程的質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)性都提供了一定的保障，因此，在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中有效應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文靜.LRB隔震橋梁的可靠性與等效線性化方法研究[D].華中科技大學(xué)，2014.

[2]周林云，萬水.GFRP橋面板截面設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析[A].2011復(fù)合材料橋梁技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2014.

[3]王言磊，郝慶多，歐進(jìn)萍.FRP-混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析[A].2011復(fù)合材料橋梁技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2014.

[4]劉霞.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的遺傳演化算法研究[D].湖南大學(xué)，2012.

作者簡介：陳明（1981，8-），男，河南鄭州人，本科，工程師，研究方向：鐵路施工。