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

胡君勝

【摘要】為滿足現(xiàn)代城市日益增長(zhǎng)的交通需求，城市一直在持續(xù)開展道路建設(shè)工作，為了保障工程質(zhì)量，在原則上應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)方案來(lái)引導(dǎo)工程朝著高質(zhì)量方向進(jìn)行，這是保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)。但為了確保設(shè)計(jì)方案能夠正確引導(dǎo)工程建設(shè)，有必要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)此本文主要研究了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，主要了解其在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì);道路設(shè)計(jì);應(yīng)用

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是一種具有高連續(xù)性特征的設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)整個(gè)工程的荷載、工程整體結(jié)構(gòu)來(lái)分析工程各部位的受力范圍、壓力數(shù)值等，之后針對(duì)分析結(jié)果對(duì)工程每個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方法的應(yīng)用在現(xiàn)代道路設(shè)計(jì)中十分常見，可以對(duì)原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低整體工程的成本總量、提高工程安全水平，因此，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值較高。

1、道路設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)步驟

1.1模型建設(shè)

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用當(dāng)中，模型構(gòu)建是基礎(chǔ)工作。通過建?？梢缘玫降缆氛w或某部位的模型，模型可以計(jì)算得出當(dāng)前工程載荷因素表現(xiàn)，對(duì)于表現(xiàn)不佳的部位進(jìn)行優(yōu)化即可。關(guān)于模型建設(shè)工作，主要分為3個(gè)步驟，即離散化設(shè)計(jì)、模型化設(shè)計(jì)、模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容見下文。

1.1.1離散化設(shè)計(jì)

離散化設(shè)計(jì)主要針對(duì)道路整體結(jié)構(gòu)，通過細(xì)化方法將其變?yōu)槎鄠€(gè)離散結(jié)構(gòu)，再?gòu)臄?shù)學(xué)視角上將其原有的無(wú)限自由度調(diào)整為有限自由度，在此前提下，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)載荷數(shù)據(jù)，判斷每個(gè)結(jié)構(gòu)承受載荷是否會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化是否會(huì)超出有限自由度界限，如果超出，則說明結(jié)構(gòu)質(zhì)量不佳，相應(yīng)對(duì)其進(jìn)行初步調(diào)整，使結(jié)構(gòu)在理論上達(dá)到合理水平。

1.1.2模型化設(shè)計(jì)

在離散化設(shè)計(jì)初步調(diào)整之后，需要進(jìn)行模型化設(shè)計(jì)，因?yàn)殡x散化調(diào)整只能實(shí)現(xiàn)理論合理化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際條件下，可能會(huì)存在內(nèi)部矛盾現(xiàn)象，說明其還存在優(yōu)化空間，那么通過模型化設(shè)計(jì)則可以繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。在模型化設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要從力學(xué)表現(xiàn)方面著手，結(jié)合實(shí)際條件分析道路工程內(nèi)在的受力規(guī)律，同時(shí)了解其中是否存在矛盾點(diǎn)，例如道路工程中，某個(gè)結(jié)構(gòu)本身載荷能力良好，但其設(shè)計(jì)位置導(dǎo)致受力方向偏移，無(wú)法完全發(fā)揮載荷，就有必要進(jìn)行調(diào)整。

1.1.3模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

在模型化設(shè)計(jì)完成之后，道路結(jié)構(gòu)化模型建設(shè)工作基本完成，但近年來(lái)，隨著道路工程的發(fā)展，工程體積逐漸增大，導(dǎo)致模型化設(shè)計(jì)得出的模型十分復(fù)雜，如果直接應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致施工效率緩慢，因此需要將其簡(jiǎn)化應(yīng)用。在模型簡(jiǎn)化當(dāng)中，主要從載荷表現(xiàn)以及材料用量方面著手，根據(jù)實(shí)際需求來(lái)排除模型中不必要的部分，例如模型中某結(jié)構(gòu)部位存在過多的彎曲，那么減少其中不必要的彎曲，可以使模型簡(jiǎn)化，同時(shí)降低實(shí)際建設(shè)的材料用量[1]。

1.2模型計(jì)算

在得到相應(yīng)模型之后，需要對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，那么在計(jì)算方法上，為了確保模型與實(shí)際環(huán)境相符，要重點(diǎn)選擇計(jì)算方法，對(duì)此下文將分析兩種常見模型計(jì)算方法，即圖解法、求解函數(shù)極值法。

1.2.1圖解法

將模型中任意兩個(gè)設(shè)計(jì)變量設(shè)定為橫、縱坐標(biāo)，此時(shí)根據(jù)變量與周邊因素的影響關(guān)系，可以得到相應(yīng)的圖像，此時(shí)通過變量函數(shù)不等式，來(lái)計(jì)算坐標(biāo)中兩個(gè)變量的約束范圍，并畫出目標(biāo)函數(shù)的等值線，最終即可得到目標(biāo)函數(shù)值，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值可以確認(rèn)模型與實(shí)際條件的差異。圖解法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用的較為普遍，但其過程較為復(fù)雜，需要操作人員具有較高專業(yè)水平才能實(shí)現(xiàn)。

1.2.2求解函數(shù)極值法

將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中存在得變量函數(shù)不等式轉(zhuǎn)化為等式，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)空間縮小要求，此時(shí)根據(jù)計(jì)算后的設(shè)計(jì)空間界限，可以區(qū)分得到每個(gè)變量的大小。該方法在應(yīng)用流程上較為簡(jiǎn)單，但無(wú)法與原值直接比較，所以直觀性較弱。

2、不同道路中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

道路工程體積龐大，所以其面臨的環(huán)境十分復(fù)雜，會(huì)面臨各種設(shè)計(jì)與施工問題，例如雨水或其他水源造成的積水，此現(xiàn)象會(huì)帶來(lái)水體侵蝕問題，對(duì)工程質(zhì)量有著重大的負(fù)面影響，為了確保工程質(zhì)量，避免水體對(duì)工程造成影響，有必要在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，而因?yàn)榉浪O(shè)計(jì)與道路主體連為一體，所以設(shè)計(jì)結(jié)果被視為工程結(jié)構(gòu)之一，可以采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)來(lái)開展相應(yīng)工作。在防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，其工作目的主要在于排水，即將工程主體的積水排除，以避免水體侵蝕，具體措施上，重點(diǎn)針對(duì)工程路面、路基兩個(gè)易出現(xiàn)積水的部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中路面設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)排水孔，并對(duì)路面傾斜度進(jìn)行調(diào)整，此項(xiàng)設(shè)計(jì)可以利用水體自流效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)排水;在路基設(shè)計(jì)方面，可以設(shè)計(jì)鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以有效避免路基裂縫，避免其內(nèi)部受到水體影響，對(duì)于整體工程質(zhì)量有巨大幫助[2]。

此外在防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還要重視相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即任何形式的設(shè)計(jì)都必須保障結(jié)構(gòu)的整體性，以免出現(xiàn)裂縫或力學(xué)性能不佳的現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性與抗拉強(qiáng)度必須滿足載荷要求，且介于道路工程的功能，其載荷要求是動(dòng)態(tài)性的，所以計(jì)算出動(dòng)態(tài)載荷范圍后再進(jìn)行設(shè)計(jì);排水孔以及管道的設(shè)計(jì)規(guī)劃要合理，應(yīng)當(dāng)同時(shí)兼顧交通需求以及排水需求。

2.2鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋是道路框架建設(shè)的主要材料，其對(duì)于工程質(zhì)量的影響很大。在鋼筋設(shè)計(jì)當(dāng)中，要重視鋼筋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、保護(hù)層厚度，在鋼架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性方面，主要針對(duì)整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，檢查其是否達(dá)到了平衡狀態(tài)，如不平衡則需要進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)檢查調(diào)整后是否存在新的問題;針對(duì)保護(hù)層厚度方面，主要根據(jù)載荷要求、外界因素影響來(lái)設(shè)定。此外，關(guān)于鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)方面，還要重視結(jié)構(gòu)配筋問題，因?yàn)楫?dāng)配筋出現(xiàn)不良表現(xiàn)，很可能造成保護(hù)層開裂，對(duì)此應(yīng)當(dāng)依照實(shí)際需求對(duì)配筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，在上述設(shè)計(jì)要求均被滿足的前提下，可以對(duì)道路工程整體質(zhì)量起到保障作用。

2.3混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土同樣是道路框架建設(shè)的主要材料，所以有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)工作。在混凝土設(shè)計(jì)方面，主要需考慮混凝土強(qiáng)度、用量以及性能問題，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先對(duì)混凝土配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比參數(shù)等，同時(shí)針對(duì)減水劑等輔助原料，要重視其用量控制，其次需要對(duì)混凝土的性能進(jìn)行控制，即確認(rèn)混凝土耐久性、穩(wěn)定性等，如果不滿足則需要調(diào)整，最終依照鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架以及保護(hù)層厚度需求來(lái)設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)，此舉可保障混凝土與鋼筋結(jié)構(gòu)相符合，降低裂縫等不良影響的發(fā)生概率。

2.4主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁是道路工程中十分重要的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是受力最大的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)問題，很容易造成嚴(yán)重的大型安全事故，所以應(yīng)當(dāng)引起重視。在主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于當(dāng)前常用的裝配式簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，要重視其設(shè)計(jì)形式以及裝配位置，在設(shè)計(jì)形式方面，常見的設(shè)計(jì)形式為箱型、T型，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程整體應(yīng)力分布來(lái)進(jìn)行選擇，同時(shí)無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)，都應(yīng)當(dāng)對(duì)其尺寸、高度進(jìn)行控制，即根據(jù)實(shí)際載荷表現(xiàn)，計(jì)算主梁結(jié)構(gòu)需要具備的載荷力，再結(jié)合材料強(qiáng)度來(lái)計(jì)算出其厚度與高度，計(jì)算方法方面可以采用杠桿法或偏心受壓，其中杠桿法應(yīng)用效果最佳;在裝配位置方面，因?yàn)橹髁航Y(jié)構(gòu)裝配位置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致載荷發(fā)生實(shí)際變化，所以必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，但此項(xiàng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，即根據(jù)設(shè)計(jì)形式選擇時(shí)的載荷數(shù)據(jù)，確認(rèn)裝配位置的整體載荷，如果載荷超過設(shè)計(jì)形式選擇時(shí)的載荷數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行調(diào)整。

3、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

在道路結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)工作中，要遵守相應(yīng)得原則，具體內(nèi)容包括橋梁結(jié)構(gòu)選擇、橋梁橫截等。在橋梁結(jié)構(gòu)選擇方面，除了要保障結(jié)構(gòu)滿足載荷要求以外還要求設(shè)計(jì)人員圍繞成本造價(jià)進(jìn)行控制，盡可能降低橋梁節(jié)后得重量;在橋梁橫截方面，因?yàn)椴涣紭蛄簷M截會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所以為了確保變化為良性，有必要進(jìn)行控制，控制原則上，可以采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。圖1對(duì)稱橋梁橫截設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)：

本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，通過分析了解了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路設(shè)計(jì)中應(yīng)用步驟，同時(shí)介紹了模型簡(jiǎn)化與計(jì)算方法;了解了不同道路中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，說明結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在所有道路設(shè)計(jì)要求中;并提出了在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)過程中需注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳杰，崔炫，來(lái)蘇群，等.淺析結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2015（7）：102.

[2]樂建元.結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].交通世界，2018，No.465（15）：130-131.