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

徐萬勝

摘 要：我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅速，推動(dòng)了交通運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展與進(jìn)步，道路橋梁在交通運(yùn)輸中發(fā)揮了重要的作用，道路橋梁設(shè)計(jì)也受到廣泛關(guān)注。本文首先簡(jiǎn)要分析了道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的重要性和必要性，并分析了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的各種計(jì)算模型，也探析了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的常用解法，重點(diǎn)闡述了道路橋梁設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

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

1 引言

道路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求逐漸提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，例如定值設(shè)計(jì)法，難以滿足現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，傳統(tǒng)水平的設(shè)計(jì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)中造成了各種不確定因素，并未遵循適用、經(jīng)濟(jì)和安全性等原則，難以達(dá)到建設(shè)質(zhì)量和設(shè)計(jì)美感的均衡。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的不足，道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的必要性

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)在選擇材料、布置總體、工藝和結(jié)構(gòu)制造上遵循著前期的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)做后期的分析，利用力學(xué)原理，分析檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性和操作性，存在問題并修改。此類設(shè)計(jì)方法并不是最優(yōu)的設(shè)計(jì)，無法優(yōu)化和彌補(bǔ)不足，僅僅檢驗(yàn)可行性與操作性，安全性以及科學(xué)性欠考慮。因此，現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)迎合了時(shí)代的要求。 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的方法是程序設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，主流思想是自頂向下細(xì)化、模塊化和結(jié)構(gòu)化，通過將設(shè)計(jì)劃分為幾大模塊，每個(gè)模塊具備單一、獨(dú)立的功能且不受牽制，詳細(xì)設(shè)計(jì)和概要設(shè)計(jì)都能統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的載體是結(jié)構(gòu)圖，描述設(shè)計(jì)圖紙能夠達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

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)

道路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的自由度存在無限性，如何轉(zhuǎn)化為有限性，并將整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分有限的幾個(gè)部分，整體性劃分成離散化是重要關(guān)注點(diǎn)。離散化的結(jié)構(gòu)是有限性的體現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在受力方面更有優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)施工更有便利。

3.2 模型化結(jié)構(gòu)

力學(xué)原理對(duì)道路橋梁設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)性的作用，各種結(jié)構(gòu)的力學(xué)存在內(nèi)在的規(guī)律性，分析結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律，并對(duì)結(jié)構(gòu)模型的主要矛盾分析，結(jié)構(gòu)模型化處理后的整體設(shè)計(jì)要求具體化，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。

3.3 簡(jiǎn)化的材料和荷載

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中使用的結(jié)構(gòu)材料的可塑性和彈性都控制在最佳的范圍內(nèi)，理想塑性和理想彈性能夠激發(fā)有限的參數(shù)，用于模擬實(shí)踐結(jié)構(gòu)的無限自由度，應(yīng)付隨機(jī)荷載。彈性性質(zhì)參數(shù)是有限的并具有概率特性，當(dāng)然，也具備是解析式的參數(shù)的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化材料和荷載，并運(yùn)用計(jì)算技術(shù)便于施工前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算技術(shù)計(jì)算結(jié)果需要理想化，并與實(shí)際的結(jié)構(gòu)狀況相吻合，那么在計(jì)算模型的選取需要慎重，計(jì)算模型要切合實(shí)際，真實(shí)有效地反映出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。因此，充分考慮結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮的具體作用來選取計(jì)算模型，才能結(jié)合實(shí)際制定出最合理的計(jì)算模型。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)常用的解法

4.1 圖解法

二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，需要橫坐標(biāo)的設(shè)計(jì)變量，也需要縱坐標(biāo)的設(shè)計(jì)變量，應(yīng)用圖解法適合各種二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在橫縱坐標(biāo)的兩種變量約束條件下，兩曲線指標(biāo)構(gòu)成了圖形，圖形反映為有上下界限的約束區(qū)域，接著在目標(biāo)的約束區(qū)域內(nèi)設(shè)置函數(shù)的等值線，目標(biāo)函數(shù)值就是等值線與可行區(qū)域的外邊界相切點(diǎn)。

4.2 求解函數(shù)極值

所求函數(shù)的極值，在約束區(qū)域內(nèi)建立的不等式需要化簡(jiǎn)，并轉(zhuǎn)變?yōu)榈仁叫问剑舻仁叫问接心繕?biāo)函數(shù)中的變量，變量函數(shù)必須轉(zhuǎn)化成為僅含一個(gè)變量的目標(biāo)函數(shù)值，計(jì)算出的函數(shù)極值，由此得到的最大最小值能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4.3 同態(tài)設(shè)計(jì)法

同態(tài)設(shè)計(jì)法就是縮小設(shè)計(jì)空間的可行性，并運(yùn)用等式約束，要將不等式約束來換作，該設(shè)計(jì)法的解與原解有著優(yōu)劣之分，等式約束下，同態(tài)設(shè)計(jì)的解難易算出。難解就是改方法的不足，然而應(yīng)用在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，仍有許多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的可行性，用同態(tài)設(shè)計(jì)法能夠化繁為簡(jiǎn)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題迎刃而解。

4.4 網(wǎng)絡(luò)搜索的方法

網(wǎng)絡(luò)搜索法是一種最為直觀并傳統(tǒng)的方法，首先在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)劃分各種點(diǎn)，該辦法控制著不同的網(wǎng)格點(diǎn)，并保障每個(gè)點(diǎn)代表不同的設(shè)計(jì)，接著采用規(guī)律性地搜索，循序漸進(jìn)的搜索并找到了最有代表性最優(yōu)解的網(wǎng)格點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)搜索法的應(yīng)用前需要確定固定的變量，固定變量其余的變量增加驗(yàn)算環(huán)節(jié)，在驗(yàn)算時(shí)按照從小到大的順序，計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)滿足約束條件。所有的滿足條件的網(wǎng)格點(diǎn)中，選出最優(yōu)滿足目標(biāo)函數(shù)的點(diǎn)也是最優(yōu)解。

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

5.1 截面形式選擇

道路橋梁設(shè)計(jì)中，截面形式的選擇能夠符合道路橋梁的負(fù)荷，考慮荷載本身的承重以及道路橋梁的自身承重，在滿足性能要求的前提下，充分考慮道路橋梁使用的材料，增加重量情況下，要控制截面形式往重量小、結(jié)構(gòu)優(yōu)良的方向施工，空壁式的材料設(shè)計(jì)對(duì)減少道路橋梁的壓力效果顯著。

5.2 支撐力的協(xié)調(diào)

道路橋梁的設(shè)計(jì)中，橋梁的支撐力設(shè)計(jì)要強(qiáng)調(diào)其的均勻分布布置，不僅能夠支撐橋梁又能充分利用材料。此外，道路橋梁即是一個(gè)整體又具有結(jié)構(gòu)連續(xù)性，道路橋梁的各個(gè)部分均勻受力就是滿足結(jié)構(gòu)的連續(xù)性的特性，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)道路橋梁的整體受力，橋梁結(jié)構(gòu)的受力系統(tǒng)、整體，以減少道路橋梁的建筑成耗用。

5.3 材料及結(jié)構(gòu)的相互整合

道路橋梁的結(jié)構(gòu)和材料的受力性和負(fù)載力對(duì)整體結(jié)構(gòu)的承重產(chǎn)生的影響非同小可，由此可見，道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)不可忽略材料和結(jié)構(gòu)的和諧度，兩者相互整合相互配比，兩者的最優(yōu)配置才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料的最佳稱重值。當(dāng)然，需要承重大的受力種的道路結(jié)構(gòu)選擇優(yōu)質(zhì)材料。

5.4 全面掌握各個(gè)部位特征

道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅是局部構(gòu)件的設(shè)計(jì)，劃分后的各個(gè)部分特點(diǎn)差別性大，充分掌握道路橋梁的每個(gè)部分的特點(diǎn)，有利于其部分發(fā)揮的最佳作用，因此，設(shè)計(jì)方案的完善，是對(duì)道路橋梁的各個(gè)結(jié)構(gòu)有機(jī)地整合，優(yōu)化配置并使各個(gè)部分發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值，有利于提高橋梁的運(yùn)作性能。橋梁結(jié)構(gòu)施工要求基于復(fù)雜環(huán)境中發(fā)揮的潛力不同，充分研究各主要受力構(gòu)件的性能，便于在不同使用情況的不同設(shè)計(jì)，達(dá)到受力桿在不同設(shè)計(jì)情況下充分發(fā)揮綜合作用的目的。

5.5 保持結(jié)構(gòu)連續(xù)性

因?yàn)榈缆窐蛄菏且粋€(gè)整體，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)過程中必須要確保其整體結(jié)構(gòu)連續(xù)與穩(wěn)定，確保道路橋梁每個(gè)部位受力均勻，如此一來方可以提高整體道路橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，減少其相關(guān)建設(shè)成本。

6 結(jié)束語

總而言之，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提高了道路橋梁工程的整體質(zhì)量，遵循著建筑工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性原則，不僅適應(yīng)了道路橋梁發(fā)展的需要，也成為了道路橋梁設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)選擇，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)要能夠正確掌握其計(jì)算模型、常用解法以及具體應(yīng)用方法，切實(shí)保證道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保整體道路橋梁的穩(wěn)固與安全。

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