結(jié)構(gòu)化設(shè)計在橋梁工程設(shè)計中的應(yīng)用

王文慧

摘 要：本文基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計的原理，分析了其應(yīng)用于橋梁設(shè)計的可行性和重要性，并詳細剖析了其發(fā)揮作用的應(yīng)用原則和應(yīng)用方面，以期能夠為橋梁工程設(shè)計的改進提供理論支持。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化設(shè)計;橋梁工程;工程應(yīng)用

中圖分類號：U442.5 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

為了適應(yīng)日益上升的交通需求，我國公路建設(shè)在數(shù)量和體量上都得到了快速的增長，而橋梁作為公路中重要的組成部分，也呈現(xiàn)出向著復(fù)雜化發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足橋梁建設(shè)需求，亟需更為高效的技術(shù)、手段來改進設(shè)計方法。近些年，設(shè)計技術(shù)在不斷地改進，實踐中引入了結(jié)構(gòu)化設(shè)計法，并憑借其所具有的諸多獨特優(yōu)勢在橋梁設(shè)計中得以廣泛應(yīng)用，優(yōu)化了傳統(tǒng)設(shè)計方法。實踐表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計對于橋梁設(shè)計中的不確定值問題有著很好的解決效果，在保障設(shè)計方案可靠的基礎(chǔ)上，具有突出的經(jīng)濟效益。

1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計概述

結(jié)構(gòu)化設(shè)計是一種以設(shè)計數(shù)據(jù)為分析對象，旨在通過對設(shè)計方案進行評價而完成優(yōu)化的設(shè)計方法。該方法應(yīng)用于道路橋梁設(shè)計中，能夠構(gòu)建設(shè)計方案對應(yīng)的模型并進行評價計算，以此來選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。研究表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的應(yīng)用效果取決于相關(guān)模型的建立以及計算方法的選擇。結(jié)構(gòu)化設(shè)計中構(gòu)建分析模型的方法主要有離散化結(jié)構(gòu)設(shè)計、荷載結(jié)構(gòu)化設(shè)計等;模型計算方法的主要方法有圖解法、同態(tài)設(shè)計法等。在設(shè)計時，要對模型構(gòu)建方法、模型計算方法進行合理的組合，以此來最大程度地優(yōu)化設(shè)計方案。

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在橋梁工程設(shè)計中的重要性和可行性

2.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在橋梁工程設(shè)計中的重要性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計的基礎(chǔ)是建設(shè)地的地理條件數(shù)據(jù)、橋梁設(shè)計預(yù)期，并依賴模型計算來分析設(shè)計方案的可靠性，是一種基于傳統(tǒng)設(shè)計的改進方法，能夠為日益復(fù)雜的橋梁設(shè)計創(chuàng)造更好的設(shè)計條件。不同的是，在傳統(tǒng)設(shè)計方法中對于建設(shè)材料和建設(shè)工藝的選擇大多是基于設(shè)計人員的經(jīng)驗，缺乏具體的選擇依據(jù)，方案的準確性難以得到保障，容易產(chǎn)生偏差。而結(jié)構(gòu)化的設(shè)計有著強大的功能性，能夠協(xié)助設(shè)計人員對設(shè)計的各個方面進行可靠的決斷，并增強建設(shè)的施工組織性。此外，結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，通過方法管控模塊設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠?qū)⒏淖儌鹘y(tǒng)設(shè)計中的單一模塊形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄K形式，覆蓋設(shè)計的多指標(biāo)，有效細化設(shè)計。

2.2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在橋梁工程設(shè)計中的可行性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法優(yōu)化設(shè)計方案的原理是對多個方案的指標(biāo)進行分析評價，以此來找出最優(yōu)的一個。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計的主要目的有兩個：（1）保障橋梁質(zhì)量。確保在規(guī)范施工下，竣工交付后橋梁在設(shè)計使用年限內(nèi)強度、耐久等多項指標(biāo)能夠滿足國家相關(guān)規(guī)范和設(shè)計預(yù)期。（2）在保障橋梁各項性能符合要求的前提下，縮短建設(shè)工期、降低建設(shè)成本。由此可以看出，在橋梁設(shè)計中應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法在原理上是合理的，具有足夠的可行性。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計具體實現(xiàn)的主要途徑是提高建設(shè)結(jié)構(gòu)的荷載效力和承受力，以此來改善橋梁的工作性能，這兩方面是結(jié)構(gòu)化設(shè)計的渠道和重點，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。為盡可能減小客觀因素對設(shè)計方案的影響，在實際的設(shè)計中還要對擬建橋梁所處的環(huán)境條件進行勘測，并予以充分的考慮。結(jié)構(gòu)化設(shè)計中一般通過安全系數(shù)來反映環(huán)境對設(shè)計方案的干擾，并借助計算機對環(huán)境影響指標(biāo)進行評估。

3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在橋梁工程設(shè)計中的應(yīng)用原則

3.1 簡單、規(guī)則

該原則的含義即是橋梁設(shè)計時在滿足橋梁基本質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇形式簡單、外形規(guī)則的結(jié)構(gòu)。因為這一類結(jié)構(gòu)在荷載傳遞路徑上較為明確，便于設(shè)計的開展，且能夠很好地避免應(yīng)力集中等不利影響，將外荷載在結(jié)構(gòu)內(nèi)均勻、合理地分散傳遞，提升結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能。研究表明，簡單、規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于節(jié)省材料用量、簡化施工工藝有著積極的影響，可以大大降低建設(shè)成本，提升建設(shè)項目的綜合效益。

3.2 綜合性

橋梁設(shè)計時，其方案水平牽涉到了多個方面的指標(biāo)，譬如質(zhì)量、成本、工期等，但這些指標(biāo)之間彼此又相互關(guān)聯(lián)，如較高的質(zhì)量往往也意味著更高的成本和更長的工期。因此在設(shè)計結(jié)構(gòu)時就需要對這些指標(biāo)進行綜合考量，提升設(shè)計的綜合性，在保障質(zhì)量的前提下盡可能地降低成本、縮短工期。同時，設(shè)計人員在對某一指標(biāo)進行優(yōu)化時，也會帶來其他指標(biāo)的變動，如受力更優(yōu)的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省材料，以此達到降低成本的目的。

3.3 科學(xué)性

橋梁工程在設(shè)計時，需要對其結(jié)構(gòu)、材料、工期進行充分的考量，為結(jié)構(gòu)化設(shè)計提供足夠的科學(xué)支撐，減小橋梁建設(shè)的質(zhì)量風(fēng)險。設(shè)計人員在設(shè)計時要特別注意外在因素的干擾，根據(jù)工程建設(shè)的條件對風(fēng)險性進行評估并制定好相對應(yīng)的應(yīng)對措施，為橋梁正常工作提供可靠保障。

3.4 前瞻性

目前，我國的交通運輸需求正處于日益上升的階段，且未來仍具有巨大的發(fā)展空間，橋梁作為交通運輸中重要的一環(huán)，其未來也將承擔(dān)較大的使用壓力。在這樣的發(fā)展背景下，橋梁設(shè)計就不僅僅需要保障目前的使用需求，更是要在設(shè)計初期就對未來橋梁的使用有一定前瞻性，保障橋梁在設(shè)計使用年限內(nèi)都具有足夠的適用性。這就需要設(shè)計人員對擬建橋梁的運輸發(fā)展情況有充分的認識，并在橋梁的設(shè)計上提高要求，適應(yīng)橋梁使用中可能增大的作用強度、作用密度等。

3.5 目標(biāo)拆解

橋梁設(shè)計整體的目標(biāo)可以拆解為多個小的方面來開展，譬如從建設(shè)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面來進行。一方面，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性;另一方面依據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的受力情況來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，提升使用安全性。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計的具體方法

在進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計時常用的具體方法有圖形法、函數(shù)極值法和同態(tài)設(shè)計法三種，下面針對這三種方法進行介紹：

4.1 圖形法

圖形法是借助二維坐標(biāo)系建立具有約束邊界的一個范圍，邊界條件根據(jù)工程實際情況以及規(guī)范要求來取得。邊界條件確定后，即可引入目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)在邊界點取得的最大值與最小值即為設(shè)計范圍。

4.2 函數(shù)極值法

函數(shù)極值法則主要借助數(shù)學(xué)手段來完成設(shè)計，一般可通過求導(dǎo)等方式來取得目標(biāo)函數(shù)的極大值與極小值，以此來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計。

4.3 同態(tài)設(shè)計法

同態(tài)設(shè)計法的特點在于其將設(shè)計中的范圍條件轉(zhuǎn)化為了等價條件，因此其相較于其他方法更加便于操作，能夠大大簡化設(shè)計流程，提升設(shè)計速度，更具備實際應(yīng)用性。

5 結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用于橋梁工程設(shè)計

5.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計的原則

（1）結(jié)構(gòu)截面、建設(shè)材料的選擇。設(shè)計人員在進行橋梁的設(shè)計時，需要充分考慮橋梁運營中可能受到的各種荷載和作用，盡可能選擇對稱、均勻、規(guī)則的截面形狀。同時，在對建設(shè)材料的選擇上，也要考慮到材料自身的性質(zhì)，譬如材料自重導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)荷載增加，優(yōu)先選用比強度大的材料。（2）設(shè)計方案中結(jié)構(gòu)受力應(yīng)當(dāng)均勻，要盡可能地避免結(jié)構(gòu)外形突變等不利情況，以此來減小應(yīng)力集中的影響。（3）明確結(jié)構(gòu)各個部分的受力情況與傳力路徑，特別是節(jié)點處的設(shè)計應(yīng)當(dāng)尤為注意，必要時要進行加固處理。（4）充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢。對于結(jié)構(gòu)中不同部位的構(gòu)件，其往往有著不同的受力狀態(tài)，這就需要設(shè)計人員根據(jù)具體受力情況選取合適的材料類型，來最大化發(fā)揮材料性能。

5.2 橋梁過程設(shè)計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

5.2.1 完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

混凝土結(jié)構(gòu)作為橋梁工程的主要組成部分，其工程性能對橋梁有著重大的影響。結(jié)構(gòu)化設(shè)計，能夠優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)組成，使其更加適應(yīng)于使用需要，并抑制使用中病害的發(fā)生，具備更長的使用壽命。混凝土是一種復(fù)合材料，由水泥、砂石、外加劑等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)化設(shè)計就是通過對各組分的配比、位置進行控制，以此來對結(jié)構(gòu)受力開裂等問題進行控制，并且確定最優(yōu)的配筋率、配筋位置、鋼筋種類，以此來減輕結(jié)構(gòu)自重并改善抗裂性能。

5.2.2 改善防水結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)從整體入手，在橋梁結(jié)構(gòu)具備足夠強度、穩(wěn)定性、耐久性的基礎(chǔ)之上，對橋面結(jié)構(gòu)與材料進行優(yōu)化，并采取適當(dāng)?shù)墓こ淌侄蝸砀纳茦蛄好鎸拥钠秸潭?。橋梁防水材料、防水結(jié)構(gòu)的選擇也應(yīng)當(dāng)與其他結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，來簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料消耗。為保證防水結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用變形性能和力學(xué)性能優(yōu)異的材料，并在合理的位置配備集水管、排水管等輔助防水設(shè)施，以便積水的及時排泄。特別地，在結(jié)構(gòu)的連接處要做好防滲措施，以免雨水侵入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到腐蝕，影響其正常使用。

5.2.3 增強鋼筋保護設(shè)計

鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其耐腐蝕性較差，使用時需要做好防腐處理，特別對于修復(fù)難度較大的橋梁工程，需要在設(shè)計上做出相應(yīng)的措施。在結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)對設(shè)計環(huán)境條件進行充分的勘測和考慮，對于腐蝕性環(huán)境、易腐材料等風(fēng)險較高的情況要加設(shè)防護措施，譬如增加混凝土保護層厚度、涂抹隔離劑等，來防止材料的腐蝕，增加結(jié)構(gòu)的耐久性。

5.2.4 優(yōu)化防崩施工設(shè)計

結(jié)構(gòu)化設(shè)計對于防崩施工設(shè)計的優(yōu)化主要是在以下幾個方面：（1）對施工預(yù)拋高值進行有效的預(yù)估，減小后期因工程修整而帶來的成本投入和工期延誤。（2）對于橋梁的合攏段設(shè)計，應(yīng)當(dāng)嚴格控制影響其施工高度的因素，原則上其高差應(yīng)在3 cm以內(nèi)，以此保障工程質(zhì)量。（3）對于橋梁結(jié)構(gòu)附屬管道間的連接，要通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計進行優(yōu)化，來防止連接點的崩脫，使其能夠正常發(fā)揮功能。

6 結(jié)語

目前，橋梁工程已然成為了一個與百姓出行、經(jīng)濟生產(chǎn)緊密相連的領(lǐng)域，其設(shè)計方案的優(yōu)化也得到了行業(yè)內(nèi)越來越多的重視。實踐表明，結(jié)構(gòu)化設(shè)計的引入對于橋梁工程的設(shè)計不僅有著性能、質(zhì)量上的提升，也在一定程度上改善了建設(shè)項目的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益。合理、有效地利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計對于我國橋梁工程的發(fā)展有著重大意義，保障人們安全、高效的出行，也為橋梁建設(shè)提供更多的可能。

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