肖勃

（重慶市設計院 重慶市 400015）

大跨度橋梁結構優(yōu)化設計綜述

肖勃

（重慶市設計院 重慶市 400015）

我國交通事業(yè)的快速發(fā)展帶動了大跨度橋梁施工工程的進步，且其的安全運營直接影響著整個交通運輸事業(yè)的順利發(fā)展?，F(xiàn)階段，不斷增多的大跨度橋梁工程數(shù)量致使其結構形式逐步向多樣化、復雜化發(fā)展。但隨著大跨度橋梁使用年限的增長和運輸量的增多，導致橋梁結構出現(xiàn)了或多或少的問題，因此，建筑企業(yè)必須對大跨度橋梁結構實行優(yōu)化設計，進而避免相關質量問題及安全問題的出現(xiàn)，促進我國交通事業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。本文簡單分析了大跨度橋梁的定義，并詳細介紹了大跨度橋梁結構優(yōu)化設計的要求及其具體的優(yōu)化設計。

大跨度橋梁；結構；優(yōu)化設計

引言

目前，隨著我國橋梁技術的不斷進步，對橋梁結構設計的要求也在逐漸變高，且其在建設過程中應遵循安全、適用、經濟的基本原則，促進橋梁結構設計的優(yōu)化。傳統(tǒng)的橋梁結構設計一般采用定值設計方法，但其既不能很好的描述并處理橋梁結構中客觀存在的不確定因素，也無法對安全、適用、經濟方面的各項指標進行定量的分析計算，甚至無法科學合理的協(xié)調指標間的矛盾，進而使其無法達到平衡的狀態(tài)。隨著社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的結構設計方式已無法滿足現(xiàn)今大跨度橋梁結構設計的需求，因此，加大對大跨度橋梁結構優(yōu)化設計的研究與分析至關重要，并在此基礎上采用適宜的技術參與施工建設，從而最大限度的提升我國大跨度橋梁結構設計水平。

1 大跨度橋梁概述

我國的大跨度橋梁通常處于公路交通運輸樞紐的重要位置，是道路生命工程的關鍵組成部分。隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，大跨度橋梁進入了一個新的發(fā)展階段，其形式結構逐漸向多樣化、復雜化發(fā)展。雖然目前我國的橋梁技術已經能夠很好的解決大跨度橋梁中出現(xiàn)的問題，但隨著橋梁跨度的逐漸增多，并向著更長、更大、更柔的趨勢發(fā)展，出現(xiàn)的問題也在不斷的增加。在這種情況下，為了更好地保證大跨度橋梁建設的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易性以及外表的美觀性，橋梁的施工人員應加大對其結構設計的優(yōu)化與施工質量的強化力度，進而更好地發(fā)展我國的大跨度橋梁結構。

2 大跨度橋梁結構優(yōu)化設計的要求

2.1 安全性

在進行正常的橋梁結構施工及使用時，橋梁結構需承受各種可能出現(xiàn)的壓力，這些壓力主要包括振動過程中的恢復力、荷載引起的內力以及由約束變形、外加變形所引起的內力。且橋梁結構在設計中規(guī)定的偶然事件發(fā)生的全過程，依舊需要保持施工要求的整體穩(wěn)定性，從而避免發(fā)生橋梁結構的倒塌或連續(xù)破壞的狀況。

2.2 適用性

大跨度橋梁結構在進行正常的使用時，具備良好的工作性能，其可以很好的防止結構產生過大的變形現(xiàn)象或者產生寬度過大的裂縫，進而避免正常使用時振動狀況的發(fā)生。

2.3 耐久性

在對大跨度橋梁結構進行正常的定期維護時，需具有一定程度的耐久性能，其中包括不發(fā)生混凝土的嚴重風化和鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。系統(tǒng)結構在工程規(guī)定工作環(huán)境和預訂時期內，其材料性能的惡化不會使橋梁結構發(fā)生無法接受的失敗概率，這就是所謂的足夠的耐久性能。從工程概念的角度來說，足夠的耐久性有不同的解釋，即為在正常維護條件下，橋梁結構可以使用到設計中規(guī)定的年限。結構的安全性、適用性及耐久性共同構成了其可靠性。所謂橋梁結構的可靠性，就是在規(guī)定的時間和條件下，完成結構的預訂功能的能力。且結構設計余量的增大，可以有效改善結構的可靠性，但這種方式會提高工程結構的造價，不符合經濟性的要求。因此，橋梁結構的設計應依據實際的工程情況，做好結構可靠性和經濟性之間的矛盾處理，從而真正的做到經濟合理。

3 大跨度橋梁結構優(yōu)化設計

大跨度橋梁建設存在難度系數(shù)高、施工項目復雜、施工環(huán)節(jié)較多、施工工期相對較長等特點，因此，為了使整個工程達到最優(yōu)的狀態(tài)，并保證大跨度橋梁建設工程的順利竣工，需注意以下幾個方面的處理：

3.1 局部優(yōu)化

局部最優(yōu)雖然不能與整體最優(yōu)等同，但它卻不僅對整體最優(yōu)有益，還可以推動橋梁結構的發(fā)展?；诰植康膬?yōu)化設計變量相對較少，其研究難度也得到了最大限度的減小，這使得對其研究的深度更加的透徹?，F(xiàn)階段，我國對大跨度橋梁的局部結構優(yōu)化研究已包含到大跨度橋梁結構設計及施工的整體過程。

3.2 加勁梁橫截面的優(yōu)化

目前，鋼梁、混凝土梁、混合梁以及疊合梁是我國主要的大跨度橋梁中的加勁梁。依據對全世界已建成的大跨度橋梁的統(tǒng)計，斜拉橋及懸索橋的跨度分別排在世界排名的前12位，其主跨加勁梁形式大多為鋼梁，鋼與混凝土結合梁以及混凝土梁的應用相對較少且其跨度較小。

3.3 斜拉索或主纜的動力優(yōu)化

現(xiàn)階段，我國的大跨度橋梁主要有斜拉橋、懸索橋和其他的一些新型橋梁樣式。雖然這些橋梁的稱謂不同，作用和施工方式也不同，但卻有一個共同的特點，就是這些橋梁都是由纜索支承的，且其橋面較柔，屬于柔性結構。在外部因素的激烈影響下，拉索極易產生意想不到的大幅度震動，這些大幅振動會推進拉索錨固端的疲勞，并在一定程度上降低拉索的使用壽命，嚴重時甚至會嚴重威脅橋梁結構的安全和質量。因此，大跨度橋梁的動力問題就顯得尤為重要。

3.4 索力調整優(yōu)化

隨著橋梁跨度的逐漸增大，其收縮徐變以及非線性條件等方面的影響會越來越顯著，但最終控制主梁應力和線形的直接因素依舊是斜拉索力和施工時的立模標高，因此，確定合理索力對斜拉橋的材料用量及結構安全性是保證橋梁結構質量的基礎。目前，國際橋梁界對于索力調整的理論研究主要集中確定為以下幾個方面：①指定受力或位移狀態(tài)下的索力優(yōu)化。②無約束的索力優(yōu)化。③有約束的索力優(yōu)化。④影響矩陣法。

3.5 索塔的結構優(yōu)化

索塔的優(yōu)化主要是塔高及受力合理性方面的優(yōu)化。若塔太高，則會給施工帶來一定的困難，進而增加施工工程造價。而塔太矮，就會降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索間的受力。因此，單獨優(yōu)化塔高是一種不經濟的行為，在這時，應全面的、綜合的塔高與其他部分的優(yōu)化。

3.6 橋墩及基礎優(yōu)化

橋墩是大跨度橋梁的主要受重部分，橋梁建設技術與橋梁建設材料的選用直接影響著橋梁的整體施工質量，且在橋墩施工開始前，應系統(tǒng)的考察橋梁選址附近地區(qū)的地質條件、水溫以及水文等因素，并在考察得出的大量數(shù)據的基礎上進行相應的優(yōu)化處理。

3.7 大跨度橋梁結構拓撲優(yōu)化

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，我國大跨度橋梁結構的優(yōu)化設計也得到了相應的發(fā)展。目前，雖然我國對結構優(yōu)化設計的研究已從尺度優(yōu)化逐漸轉為形狀優(yōu)化及拓撲優(yōu)化，但在大跨度橋梁結構的優(yōu)化研究卻還停留在尺寸優(yōu)化層次?，F(xiàn)階段，我國主要的拓撲優(yōu)化方式有以下四種：離散化連續(xù)體優(yōu)化準則法、遺傳算法、均勻化方法、漸進結構優(yōu)化技術，其中，漸進結構優(yōu)化技術是目前大跨度橋梁結構中使用最為廣泛的一種優(yōu)化技術，它具有概念簡潔和計算效力較高等特點，并因此得到了橋梁施工企業(yè)的大力重視。但目前我國的大多數(shù)工程都是由混凝土和鋼材組成的，且混凝土具備較高的抗壓強度，而鋼材具備良好的抗拉性，所以，我國對拓撲優(yōu)化設計的研究還正處于開始階段，有許多未知的問題還沒能得到較好的解答。

4 結語

現(xiàn)階段，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁已成為公路中重要的一部分。雖然橋梁的優(yōu)化并不等同于公路的最優(yōu)，但其卻能很好的促進公路建設達到最優(yōu)的狀態(tài)，并最大限度的推動大跨度橋梁結構的順利發(fā)展。只有嚴格遵循橋梁結構建設時需遵循的原則，才能保證公路工程的最優(yōu)，才可有效促進交通事業(yè)的快速發(fā)展。

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2015-5-25

肖勃（1985-），男，工程師，碩士，主要從事橋梁結構設計類工作。