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

張德平

摘 要：現(xiàn)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)已經(jīng)取得了一定的成果，并且仍然在不斷發(fā)展之中。同時(shí)與之配套的交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展也非常迅速。在交通行業(yè)之中，道路橋梁是一種非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其設(shè)計(jì)工作本身也已經(jīng)得到了人們的重視，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)這種理念已經(jīng)得到了人們的廣泛認(rèn)可。本文首先探討了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的重要性，之后簡(jiǎn)要說(shuō)明了其應(yīng)用要點(diǎn)和原則，希望可以給相關(guān)工作的開(kāi)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)；道路橋梁設(shè)計(jì)；計(jì)算模型；應(yīng)用原則；使用價(jià)值

對(duì)于道路橋梁工程來(lái)說(shuō)，首先保證其結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，才能保證工程能夠正常使用，發(fā)揮社會(huì)價(jià)值。除此之外，在道路橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)的基本原則包括經(jīng)濟(jì)性和適用性。在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)我們的設(shè)計(jì)工作采用的是定值設(shè)計(jì)，這樣才能滿(mǎn)足于設(shè)計(jì)規(guī)范，但這種設(shè)計(jì)方式上也存在一定的不完善之處。舉例來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)方式是不能描述出其結(jié)構(gòu)中的一些不確定因素的，并且也無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)和計(jì)算直接確定其實(shí)適用性和安全性，很多指標(biāo)之間存在一些矛盾并且難以調(diào)和。但是在新型結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的理念之下， 很多舊有設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題都會(huì)得到有效解決，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明效果很好，值得推廣使用。

1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)重要性探討

在舊有的道路橋梁設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員憑借自身的經(jīng)驗(yàn)首先判斷出該工程的大衣概況，例如建材的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的確定、制造法工藝的選擇等等，之后才進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，之后結(jié)合設(shè)計(jì)的具體情況開(kāi)展力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定結(jié)構(gòu)的可行性，結(jié)合實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行更改。總體上來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)方式可以保證整個(gè)工程的安全性和可靠性，但目前我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)工作已經(jīng)變得越來(lái)越復(fù)雜，所以這種舊有的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)時(shí)下的要求，并且也難以做到設(shè)計(jì)的優(yōu)化，這就需要我們改變?cè)O(shè)計(jì)理念。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)這種理念是自上而下的細(xì)化和模塊化的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)等技術(shù)和理念不斷發(fā)展最終形成的設(shè)計(jì)方式。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的主要思想就首先將整個(gè)工程進(jìn)行拆解，將其分為數(shù)個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方式通過(guò)結(jié)構(gòu)圖來(lái)表示各個(gè)設(shè)計(jì)階段。這種設(shè)計(jì)方式不僅可以適應(yīng)當(dāng)前道路橋梁設(shè)計(jì)的需求，并且也能直接選出最為合理、最具有經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)方案。

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)原則探討

（1）首先應(yīng)該選用最為合理的剛度配置，進(jìn)而確定合理的截面形式。如果想要減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量，就需要我們不斷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)力分布處于合理狀態(tài)，同時(shí)所選材料也應(yīng)該符合于具體的要求。（2）簡(jiǎn)化力傳遞的路線，這樣才能更好地提高外荷載的作用，通過(guò)有效設(shè)計(jì)來(lái)平衡外荷載，提供支撐反力，這樣才能減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量，讓材料得到了有效節(jié)約。（3）整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)該具有足夠的連續(xù)性，讓橋梁各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)都能整合成一個(gè)整體，這樣一來(lái)，一方面可以簡(jiǎn)化力的傳遞路線，還能提高力的受力面積，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)還能起到節(jié)約成本、減輕建筑工程重量的作用。（4）設(shè)計(jì)過(guò)程中重視材料組合所發(fā)揮出的作用，并且考慮到不同形狀之下建筑工程所呈現(xiàn)出的受力特點(diǎn)。其實(shí)不同材料進(jìn)行組合，其表現(xiàn)出的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量也是有所不同的。（5）最后需要我們隊(duì)受力構(gòu)件性能進(jìn)行研究，這樣才能不斷挖掘整個(gè)結(jié)構(gòu)的潛力。橋梁結(jié)構(gòu)的施工內(nèi)環(huán)境本身具有一定的復(fù)雜性，所以需要我們提高受力桿的作用，減少材料是用量。

3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的不同計(jì)算模型

3.1 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(wú)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。

3.2 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(duì)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(duì)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。

3.3 簡(jiǎn)化的材料和荷載

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)通常會(huì)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(lái)模擬具有無(wú)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(jiǎn)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(duì)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。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)常用的解法

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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(huì)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(lái)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(wèn)題變得更易于計(jì)算。

4.4 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(wèn)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(duì)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(mǎn)足約束條件。在最后得出的可行的解中，選出最能滿(mǎn)足目標(biāo)函數(shù)的點(diǎn)，這就是所求的最優(yōu)的解。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)前文總結(jié)，我們已經(jīng)知道，在社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的建設(shè)過(guò)程中，交通運(yùn)輸事業(yè)起到的作用是非常明顯的，而在交通運(yùn)輸行業(yè)中，道路橋梁又是非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，所以如果想要推動(dòng)交通運(yùn)輸事業(yè)的進(jìn)步，就應(yīng)該采取有效手段做好道路橋梁工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。經(jīng)過(guò)一系列相關(guān)實(shí)踐我們不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)這種理念不僅能夠保證整個(gè)工程建設(shè)的質(zhì)量，還能讓整個(gè)工程具有更高的安全系數(shù)，并且也能節(jié)約大量資源，這樣看來(lái)，這種設(shè)計(jì)理念是非常適合于當(dāng)下時(shí)代的發(fā)展的。

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