李繼軍

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

在工程設(shè)計(jì)工作發(fā)展過(guò)程中，道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)將其帶入到了一個(gè)全新的發(fā)展空間。作為社會(huì)建設(shè)發(fā)展中的重要運(yùn)輸載體，道路橋梁工程對(duì)一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度將會(huì)產(chǎn)生直接影響，因此社會(huì)各界也對(duì)道橋工程設(shè)計(jì)與發(fā)展給予了重點(diǎn)關(guān)注。其中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在眾多道路橋梁工程設(shè)計(jì)方法中是一項(xiàng)十分重要的工作?？茖W(xué)完善的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法不僅可以提高道橋工程整體質(zhì)量，并且還可以有效提高整體施工效率。由此可見(jiàn)，對(duì)道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的重要性

1.1 滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求

與傳統(tǒng)道路橋梁工程設(shè)計(jì)方法相比，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)こ碳?xì)節(jié)部分進(jìn)行優(yōu)化，還可以在當(dāng)前技術(shù)條件和建設(shè)環(huán)境基礎(chǔ)上對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高道橋工程整體施工質(zhì)量，高質(zhì)量地完成預(yù)期建設(shè)目標(biāo)[1]。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)從專業(yè)層面來(lái)看，是建筑領(lǐng)域中一種創(chuàng)新理念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員必須具備較高的綜合素養(yǎng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員不但要具有較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)還要擁有豐富的道路橋梁工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。從當(dāng)前結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)發(fā)展情況看，在道路橋梁工程建設(shè)中的應(yīng)用已獲得了初步效果，多樣化的社會(huì)發(fā)展需求也得到了滿足。

1.2 滿足道橋工程未來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

從道橋工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)角度看，不僅是創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也是技術(shù)方面的創(chuàng)新。在具體操作期間需要利用BIM 技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)來(lái)展開(kāi)工作。在道橋工程具體建設(shè)過(guò)程中，人們提出了多樣化的功能要求，對(duì)此結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)需求也在持續(xù)增加。在這樣的發(fā)展背景下，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須滿足各方面的綜合要求，在此基礎(chǔ)上還要從不同的角度來(lái)控制設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，在施工材料購(gòu)買(mǎi)、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及規(guī)模控制等方面進(jìn)行規(guī)劃。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢之后，還需要利用力學(xué)知識(shí)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。和傳統(tǒng)道路橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入優(yōu)化，是未來(lái)道路橋梁工程設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。

1.3 提高了道橋工程施工的可行性

在道路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要保證設(shè)計(jì)工作的嚴(yán)謹(jǐn)性，而且需要從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)與施工銜接工作要落實(shí)到位[2]。另外，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的順利開(kāi)展需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合建設(shè)環(huán)境來(lái)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，在提高道橋工程施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效識(shí)別，以此來(lái)確保道路橋梁工程施工更加合理。除此之外，設(shè)計(jì)人員還需要結(jié)合工程實(shí)際情況與應(yīng)用范圍，對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行充分研究，確保工程各項(xiàng)應(yīng)用技能都可以得到明顯提高。

2 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則

2.1 穩(wěn)定性

確保道路橋梁工程的穩(wěn)定性是開(kāi)展結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的根本目的，也是道路橋梁工程設(shè)計(jì)所要遵循的基本原則。伴隨著我國(guó)道路交通運(yùn)輸量的不斷增加，道路橋梁工程在日常運(yùn)營(yíng)期間所承受的載荷也在不斷增加。所以，道路工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在具體開(kāi)展過(guò)程中必須全面分析其結(jié)構(gòu)受力的均勻性與耐久性，以此來(lái)確保建筑工程整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.2 綜合性

道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要重點(diǎn)關(guān)注自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，還需要合理挑選施工材料，針對(duì)不同的道路橋梁工程結(jié)構(gòu)來(lái)選取與之性能相匹配的高質(zhì)量建筑材料，在此期間要合理選擇截面形式，以此來(lái)減輕橋梁自重，獲取最佳的設(shè)計(jì)方案。

2.3 整體性

道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)必須要從整體層面分析，在提高工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化特殊構(gòu)件以及對(duì)應(yīng)部位的相關(guān)設(shè)計(jì)，比如：橋墩、樁基以及軟基等等，在此基礎(chǔ)上保證對(duì)應(yīng)構(gòu)件設(shè)計(jì)的科學(xué)性，提高道路橋梁工程整體穩(wěn)定性的同時(shí)來(lái)減少施工成本[3]。

2.4 連續(xù)性

近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，在無(wú)形之中也加大了交通運(yùn)輸量，道路橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目也隨之增加。在快速發(fā)展的同時(shí)，也使工程運(yùn)行壓力不斷加大。面對(duì)這樣的問(wèn)題，要想提高工程項(xiàng)目的總體性，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)工程項(xiàng)目的具體情況來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的持續(xù)性。此外，在道路橋梁工程實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，在受力的影響下，受力面積會(huì)不斷擴(kuò)大，并且傳輸途徑會(huì)適當(dāng)減小。同時(shí)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)還需要滿足結(jié)構(gòu)合理、材料節(jié)約以及施工便利等基礎(chǔ)條件。在此基礎(chǔ)上，能夠提高道路橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

3 道路橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例分析

3.1 工程概況

我國(guó)某市為了緩解城市中心交通壓力，原計(jì)劃在市中心地段二環(huán)與三環(huán)之間修建一條環(huán)形高架橋，具體工程情況如圖1所示。此高架橋面為雙向四車道，全長(zhǎng)共26.3km，橋身最大跨度為17.8km，高架橋最高車速限定為80km/h，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度看，整體抗震等級(jí)為七級(jí)。道路橋梁工程整體全部采用的是高架結(jié)構(gòu)，在二環(huán)與三環(huán)原有道路基礎(chǔ)上開(kāi)展施工，橋梁工程占據(jù)著整個(gè)工程項(xiàng)目的絕大部分。

圖1 某市環(huán)路高架橋平面示意圖

此工程項(xiàng)目建設(shè)的目的是有效緩解城市交通壓力，橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量不僅直接影響著道路交通的組織優(yōu)化，同時(shí)還決定著工程施工造價(jià)成本。施工方在進(jìn)行綜合考慮之后，決定使用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)提高工程結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性。

3.2 樁基設(shè)計(jì)

在此次工程設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)部門(mén)在前期地質(zhì)勘察期間發(fā)現(xiàn)，此次工程地基類型為軟土地基，并且地層結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，為了避免在后期施工期間發(fā)生不均勻沉降問(wèn)題，施工單位選用了樁基形式來(lái)從整體提高地基的穩(wěn)定性以及最大載荷承受能力。

在實(shí)際施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，道路建設(shè)時(shí)間較早，并且地下管線分布十分復(fù)雜，為了提高施工質(zhì)量與施工效率，針對(duì)樁基設(shè)計(jì)選擇了三種設(shè)計(jì)方法，分別是：預(yù)制鋼筋混凝土打入樁、鉆孔灌注樁、PHC 樁。在此期間，為了使工程能夠按照預(yù)期進(jìn)度完成，很多管線走向都明確提出需以預(yù)制鋼筋混凝土打入樁和PHC 樁為主，在施工地基管線較為復(fù)雜的地段，主要選用的是鉆孔灌注樁的方法，這樣可以避免對(duì)土層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

此次工程中，這三種樁基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下：首先，PHC 樁在工程樁基設(shè)計(jì)中，當(dāng)樁尖基礎(chǔ)力層超過(guò)30m 時(shí)，主要利用的是PHC 樁基模式，這樣可以有效提高樁基的承載能力。因PHC 樁單樁承載力可以高達(dá)3000kN 以上，并且具有十分良好的經(jīng)濟(jì)性，滿足道路橋梁工程設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)適用性以及穩(wěn)定性。其次，在預(yù)制鋼筋混凝土打入樁設(shè)計(jì)中，保證其基本抗震能力為七級(jí)，同時(shí)還要具備良好的載荷承受能力。樁頂與承臺(tái)連接具體如圖2所示。

圖2 樁頂與承臺(tái)連接設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)具體分析可以得知，最終樁身混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，單樁承載能力達(dá)到了1100kN，打入樁長(zhǎng)度在30～50m，設(shè)計(jì)方案中的斷面尺寸長(zhǎng)度為450mm×450mm。最后，針對(duì)鉆孔灌注樁進(jìn)行分析可以得知，它屬于一種較為傳統(tǒng)的樁基設(shè)計(jì)模式，目標(biāo)工程樁基在設(shè)計(jì)期間，主要是在滿足工程地理位置與橋梁整體情況的基礎(chǔ)上，在地下管線設(shè)置較為復(fù)雜的地段應(yīng)用兩種不同直徑的鉆孔灌注樁，單樁承載力設(shè)計(jì)可以達(dá)到2500～300kN。

3.3 橋墩設(shè)計(jì)

在此項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位對(duì)工程橋墩部位進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化，保證橋墩施工能夠滿足高架橋承載要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)地面行駛的汽車造成不利影響。通過(guò)分析計(jì)算可以得知，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的橋墩承臺(tái)設(shè)計(jì)寬度為14m，厚度為3m，橋墩蓋梁結(jié)構(gòu)采用的是T 型設(shè)計(jì)方案，材料選取的是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其懸臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成了6.4m。

另外，在設(shè)計(jì)期間，一部分蓋梁高度會(huì)隱藏在梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在滿足橋墩外觀簡(jiǎn)潔性的基礎(chǔ)上，也合理減少了橋墩自重，加強(qiáng)了橋墩的承載力與穩(wěn)定性。除此之外，考慮到在此次道路橋梁工程設(shè)計(jì)期間，會(huì)在相應(yīng)的減速下橋區(qū)域影響下導(dǎo)致橋面有所加寬，并且標(biāo)準(zhǔn)橋墩很難滿足加寬區(qū)域橋梁的有效支撐力。

所以，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性達(dá)到整體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就需要對(duì)橋墩部位進(jìn)行合理優(yōu)化，改造成門(mén)式橋墩結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，即在地面機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車隔離帶處各設(shè)置一個(gè)立柱，使其能夠?qū)蛎嫱貙挼牟糠诌M(jìn)行有效支撐，以此來(lái)提高橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

在此基礎(chǔ)上，這樣的設(shè)計(jì)也可以有效減少對(duì)道路行駛車輛所造成的影響。但是，需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，在此次工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，從一定角度看，也是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)上部進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)現(xiàn)澆層結(jié)構(gòu)層次和主梁形式進(jìn)行了綜合比較，設(shè)計(jì)單位從整體上對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比施工設(shè)計(jì)優(yōu)化前后結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)之后，本次工程橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性得到了明顯提升，并且工程造價(jià)也大幅度降低，故此結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)具有良好的優(yōu)化效果。

4 加強(qiáng)道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)模型

道路橋梁結(jié)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分利用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)滿足道路橋梁工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在此過(guò)程中，可以對(duì)道路橋梁工程展開(kāi)離散化設(shè)計(jì)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以對(duì)道路橋梁工程整體性能進(jìn)行優(yōu)化，還能變自由度為有限自由度。但是在實(shí)際離散化期間，設(shè)計(jì)人員必須要確保結(jié)構(gòu)計(jì)算的精準(zhǔn)度，這樣才能使整體結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。其次，對(duì)道橋工程結(jié)構(gòu)模型也要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要在力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上，來(lái)計(jì)算道路橋梁工程的靜荷載，結(jié)合相關(guān)參數(shù)內(nèi)容完成結(jié)構(gòu)化建模。在材料和荷載角度兩個(gè)方面，利用精準(zhǔn)計(jì)算與分析，來(lái)保證道路橋梁施工質(zhì)量可以滿足預(yù)期的方案要求[4]。

4.2 選取科學(xué)合理的計(jì)算方法

通常情況下，道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)往往伴隨著大量的計(jì)算工作，所以選擇科學(xué)、合理的計(jì)算手段，可以有效減少計(jì)算結(jié)果的誤差。在此過(guò)程中，首先在具體建模分析中，選擇合適的比例尺，利用垂直軸與水平軸對(duì)實(shí)際施工情況進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。隨后，還要利用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的極限方法來(lái)計(jì)算工程參數(shù)函數(shù)值，在此過(guò)程中同步做好同態(tài)設(shè)計(jì)度量計(jì)算工作。

同態(tài)設(shè)計(jì)度量計(jì)算與極值設(shè)計(jì)方法相類似，二者共同之處是利用函數(shù)不等式來(lái)進(jìn)行方程計(jì)算，此方法可以有效簡(jiǎn)化計(jì)算流程，提高計(jì)算精度與計(jì)算效率。

4.3 加強(qiáng)工程防水性能

通常情況下，外界環(huán)境因素會(huì)對(duì)道橋工程應(yīng)用造成一定的影響。由于我國(guó)很多地區(qū)的天氣情況十分惡劣，對(duì)道路橋梁工程質(zhì)量帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。從施工情況看，防水施工已成為道路橋梁工程建設(shè)期間最為關(guān)鍵的內(nèi)容，在一定程度上防水性能的好壞直接影響著整體工程質(zhì)量。因此，在具體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)工作人員需要對(duì)防水結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，以此來(lái)保證結(jié)構(gòu)的可行性，使工程項(xiàng)目具備良好的防水結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用范圍的分析中可以得知，道路橋梁工程中的防水結(jié)構(gòu)主要分為兩種類型，分別是防水工程與排水工程，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要采取科學(xué)有效的措施來(lái)減少澇漬問(wèn)題，處理好道路橋梁工程的積水和積雪，優(yōu)化排水設(shè)計(jì)。

此外，在具體施工中也出現(xiàn)了各種各樣的施工材料，施工人員可以選取一些性能良好的施工材料應(yīng)用在道路橋梁工程的表面，根據(jù)道路橋梁工程的具體特點(diǎn)制作出防水層，以此來(lái)提高道路橋梁工程的整體防水性能，延長(zhǎng)工程使用期限[5]。

4.4 按照科學(xué)比例配置混凝土材料

由于混凝土材料成本較低，在工程建設(shè)期間的施工工序簡(jiǎn)單便捷，所以一直被應(yīng)用在各大類型建筑工程中。在道橋工程具體設(shè)計(jì)期間，混凝土材料是其必不可少的組成部分，為了有效加強(qiáng)道路地基和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在混凝土設(shè)計(jì)與施工期間，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)適當(dāng)增加混凝土結(jié)構(gòu)的厚度，這樣可以對(duì)橋梁工程中的鋼筋結(jié)構(gòu)起到很好的保護(hù)作用。

此外，混凝土材料質(zhì)量也會(huì)影響施工的安全性，所以設(shè)計(jì)人員需要從材料性質(zhì)角度出發(fā)，在具體配置過(guò)程中結(jié)合業(yè)內(nèi)相關(guān)部門(mén)的需求，對(duì)混凝土材料進(jìn)行科學(xué)配比，進(jìn)而提高整體工程的材料質(zhì)量。然而，在部分道路橋梁工程項(xiàng)目中，部分建筑單位為了獲取可觀經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)常選擇一些強(qiáng)度較低的混凝土材料，進(jìn)而導(dǎo)致道路橋梁建設(shè)工程質(zhì)量無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以在材料設(shè)計(jì)與配比時(shí)，也需要提高混凝土項(xiàng)目應(yīng)用的合理性，從而提高工程整體質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，道路橋梁工程在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，都十分重要。伴隨著道路橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量的不斷增加以及建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工程設(shè)計(jì)也在隨著技術(shù)的創(chuàng)新而不斷發(fā)展。在當(dāng)前道路橋梁工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法具有十分良好的優(yōu)勢(shì)，并且其應(yīng)用效果也得到了建筑行業(yè)的高度認(rèn)可。但是從整體方面來(lái)看，依然存在很多不足之處，特別是一些技術(shù)細(xì)節(jié)沒(méi)有得到充分優(yōu)化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)期間出現(xiàn)了各種施工問(wèn)題。所以道路橋梁工程相關(guān)部門(mén)需要重點(diǎn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，以此來(lái)提高工程的整體質(zhì)量與安全性。