仿生學(xué)技術(shù)在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 鳳 貴

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 大同 037008)

0 引言

目前，省內(nèi)公路建設(shè)迎來發(fā)展新時(shí)期，公路及橋梁工程建設(shè)更加注重可持續(xù)、耐久性、安全性及經(jīng)濟(jì)適用性等要求；為了提升省內(nèi)橋梁工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，引導(dǎo)學(xué)科之間融合是優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方向；在生物學(xué)基本理論影響下，仿生學(xué)和橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的融合已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要方式之一。文章以省內(nèi)高速公路橋梁工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，就橋梁工程仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，提出了相應(yīng)的應(yīng)用措施。

1 仿生設(shè)計(jì)方法在橋梁設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用分析

1.1 橋梁外觀仿生應(yīng)用分析

為了拓展新的橋梁外觀和形式，將仿生技術(shù)應(yīng)用在橋梁外觀設(shè)計(jì)中能夠最大程度拓展橋梁外形類型，提升橋梁外形的美觀程度。表1為仿生方法在橋梁工程中的應(yīng)用分類情況。

表1 仿生方法在橋梁工程中的應(yīng)用分類

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的外形仿生設(shè)計(jì)是對(duì)外部自然形態(tài)的模仿過程；在具體設(shè)計(jì)階段，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須重視外部仿生過程中的不均勻沉降、開裂、自重荷載過大等多種外部病害表現(xiàn)。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)仿生技術(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)主要依托于生物的靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)基本特性，受到生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)從而優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方式，提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載能力及剛度等力學(xué)指標(biāo)。例如，大跨徑跨海大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)大跨徑，優(yōu)化內(nèi)部受力、傳力體系，可以參考大型哺乳動(dòng)物的骨骼形式；此外，可以借助蜘蛛網(wǎng)的網(wǎng)格特點(diǎn)模擬蜘蛛網(wǎng)的防風(fēng)及抗風(fēng)特點(diǎn)，提升大跨徑跨海大橋的動(dòng)力特點(diǎn)和穩(wěn)定性，例如，以色列著名的耶路撒冷克茲大跨徑橋梁的上部承載結(jié)構(gòu)就是依靠人體骨骼和骨架形式設(shè)計(jì)的。

1.3 基于建筑材料及組織結(jié)構(gòu)的仿生

隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，材料科學(xué)及技術(shù)取得了快速發(fā)展和提升；目前，各種新型高性能、高強(qiáng)度、輕質(zhì)、抗腐蝕能力強(qiáng)的建筑材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在橋梁工程設(shè)計(jì)中。建筑材料仿生技術(shù)就是基于研究生物體內(nèi)部化學(xué)及生物組成的基礎(chǔ)上，通過仿生方式制造出更加高效、實(shí)用、強(qiáng)度更高、韌性更強(qiáng)施工材料。譬如，橋梁工程設(shè)計(jì)中，混凝土材料是使用量最大，使用最普遍的材料之一；雖然混凝土材料是人工石材，但是，其原材料均來自于自然界，且混凝土材料最早受到自然界中植物根莖葉的生產(chǎn)及分布規(guī)律的啟發(fā)，明確了混凝土材料中不同組分的功能和特點(diǎn)。在后期的材料仿生研發(fā)實(shí)踐中，新的仿生材料快速推廣使用，在研究貝殼粉過程中，貝殼粉凝結(jié)后的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值明顯超過素水泥的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值；目前，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員為了繼續(xù)提升大跨徑橋梁的跨度和承載能力，著眼于高性能混凝土材料的研發(fā)，基于貝殼粉的仿生技術(shù)能夠顯著提升混凝土材料的抗拉壓及抗剪切性能。

1.4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化仿生技術(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)技術(shù)及理論應(yīng)用不單單局限在外觀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料層面，在橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測(cè)及橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化方面也有不可替代的作用。在省內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測(cè)過程中，應(yīng)變片的斷裂力學(xué)分析是鋼筋混凝土中裂縫監(jiān)測(cè)仿生方面的重要內(nèi)容；應(yīng)變片的制作及生產(chǎn)機(jī)理就來自于對(duì)生物分泌粘液的仿生，粘液具備良好的變形特性和貼合能力，可以與被粘合物體實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、統(tǒng)一變形。為了保證應(yīng)變片在長期監(jiān)測(cè)環(huán)境下的完整性和可靠性，為了保證監(jiān)測(cè)值的可靠程度，應(yīng)保證應(yīng)變片的極限抗拉變形應(yīng)超過混凝土材料本身，在省內(nèi)部分橋梁長期監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，應(yīng)變片材料的極限抗拉應(yīng)變值應(yīng)控制在90 000 με以上，粘貼介質(zhì)的極限抗拉應(yīng)變值應(yīng)控制在20 000 με以上。通過分析混凝土裂縫長期監(jiān)測(cè)面臨的實(shí)際問題，裂縫出現(xiàn)將導(dǎo)致應(yīng)變片脆性斷裂，斷裂屬于二維平面應(yīng)變問題。式(1)為應(yīng)變片剪應(yīng)力計(jì)算公式：

(1)

其中，T為剪應(yīng)力；r為開裂裂縫尖端距離；θ為裂紋開裂角度值；K1為裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子值。

2 橋梁承重結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)案例分析

2.1 工程設(shè)計(jì)案例分析

在省內(nèi)高速公路橋梁設(shè)計(jì)實(shí)踐中，大型門式橋墩被使用在大跨徑跨線橋中；作為一種常用的可靠性門型支撐墩，其安全性和可靠性均不可忽視。工程設(shè)計(jì)實(shí)踐說明，提升梁體實(shí)際高度是增加梁剛度的重要作用；若下部凈空受限，可以使用增大底板厚度的方式進(jìn)行微調(diào)。本次設(shè)計(jì)以省內(nèi)某高速公路橋梁支撐墩設(shè)計(jì)為研究案例，通過仿生技術(shù)，尋找仿生學(xué)原型，對(duì)門式橋墩進(jìn)行加固。

2.2 橋梁承重構(gòu)件仿生設(shè)計(jì)技術(shù)

生物界中，承壓桿件及受彎構(gòu)件的仿生來源眾多，其中，豪豬的毛刺就是通過內(nèi)部填充的方式提升毛刺的自身穩(wěn)定性。科研人員已經(jīng)借助試驗(yàn)論證了豪豬的毛刺具備較高的抗壓能力。經(jīng)過細(xì)部分析可知，毛刺內(nèi)在原有的柱型結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)上，增加了橫向及縱向的加勁肋，在垂直于軸向截面荷載的作用下，毛刺結(jié)構(gòu)和空心柱體的屈曲荷載一致，但是抗彎承載能力明顯增加，且內(nèi)部呈蜂窩狀的核心組成形式和縱向及橫向的加勁肋能夠抵抗4倍以上的空心柱體壓強(qiáng)。此外，竹子內(nèi)部的莖部分有超過1/2以上的軟組織及將近1/2的纖維組織。從力學(xué)性能上分析植物內(nèi)部細(xì)胞中的軟組織細(xì)胞質(zhì)主要起到荷載傳遞作用；另一種細(xì)胞主要起到荷載承受作用?？蒲腥藛T通過仿生學(xué)方式，開發(fā)出新的薄壁圓柱形承載墩，其承載能力較傳統(tǒng)的薄壁墩提升了25%以上，且破壞形式從局部屈曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎w屈曲破壞。圖1為優(yōu)化后的承壓柱截面形式。

2.3 橋梁承載結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過仿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路橋梁門式承載墩墩柱截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造，截面形式選用夾心板結(jié)構(gòu)，厚度外側(cè)壁厚較小，原有頂板形式從單層的32 mm厚度，轉(zhuǎn)變?yōu)?0 mm及12 mm的夾心板厚度，夾層板鋼板寬度選用了原有的加勁肋寬度，并分成若干小箱室，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低了結(jié)構(gòu)自重。在墩柱蓋梁結(jié)構(gòu)類型選取方面，復(fù)合式結(jié)構(gòu)能夠很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，提升結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度。圖2為仿生優(yōu)化后的夾心式截面。

3 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化可以借助仿生技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)；隨著省內(nèi)公路建設(shè)質(zhì)量的提升，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可持續(xù)性、安全性、耐久性及可靠性受到設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。將仿生技術(shù)加以引進(jìn)和推廣使用，可以顯著提升和優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，最大程度延長橋梁結(jié)構(gòu)服役壽命和年限，為省內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作拓展新發(fā)展方向。