[ 作者簡介 ]

張丹偉，女，河南鄭州人，河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，中級工程師，碩士，研究方向：橋梁設計。

[ 摘要 ]

公路橋梁工程是一項非常重要的工程，它的安全性是非常重要的，因此在實際的公路和橋梁的設計中，結(jié)構(gòu)化的設計將會發(fā)揮出更大的作用，其應用效益也更加突出。文章主要圍繞結(jié)構(gòu)化設計模型在公路橋梁設計中的運用原理和具體運用要領進行簡要的分析和討論。

[ 關鍵詞 ]

結(jié)構(gòu)化設計;公路橋梁;設計應用

公路橋梁工程在我國目前的社會發(fā)展中起著越來越重要的作用，要加強對公路橋梁的建設，以保證公路橋梁的建設能夠為社會的發(fā)展提供有力的支持。在公路橋梁工程中，設計是一個非常重要的環(huán)節(jié)，要考慮到方方面面，所有的設計都要做到規(guī)范和切實可行，特別是基礎結(jié)構(gòu)和防水層的設計，這就涉及結(jié)構(gòu)化的設計問題，要通過結(jié)構(gòu)化的方式來進行設計，才能更好地發(fā)揮作用。

1 結(jié)構(gòu)化設計簡介

1.1 概論

結(jié)構(gòu)化設計在橋梁設計中的應用，包括離散化、模型化、簡化的計算模型等。這種離散結(jié)構(gòu)的特點是將橋梁進行分段，形成相對獨立的結(jié)構(gòu)，便于有關人員進行分析，從而方便工程的設計和施工。在設計橋梁時，首先要進行精確的機械分析，歸納出結(jié)構(gòu)的規(guī)律，找到其中的矛盾，然后再進行深入的分析，最終將設計的橋梁形象以直觀的方式呈現(xiàn)出來。簡化的計算模式主要是為了使橋梁的荷載和施工所需要的材料盡可能地減少。在橋梁設計中，通常會假定建筑材料具有較好的彈性和塑性，并利用有限的參數(shù)進行任意加載，從而可以有效地減少荷載和材料的計算，提高工作效率，確保工程質(zhì)量。

1.2 公路橋梁結(jié)構(gòu)化設計的重要意義

在過去的公路橋梁設計工作中，設計者根據(jù)自己的經(jīng)驗，首先對項目的總體情況做出判斷，比如材料的選用、結(jié)構(gòu)尺寸的確定和生產(chǎn)方法的選擇，再進行結(jié)構(gòu)分析，然后進行機械試驗，確定結(jié)構(gòu)的可行性，再進行修改，尤其是砂石、鋼材、混凝土等材料的質(zhì)量，對出廠信息、規(guī)格、等級等進行驗收，保證施工的安全性。然而，由于國內(nèi)的橋梁設計工作日益繁雜，原有的設計方法已不能滿足當前的需求，同時也很難進行優(yōu)化，因此要從整體上進行設計，在設計階段采取模塊化的方法，在施工過程中根據(jù)具體的地質(zhì)情況進行調(diào)整，從而提高設計的精確度。

2 結(jié)構(gòu)化設計的模型

2.1 離散式模型

在進行結(jié)構(gòu)化設計時，需要把結(jié)構(gòu)的無限自由度轉(zhuǎn)換成有限的自由度。因此，要對整個系統(tǒng)進行分解，也就是所謂的離散結(jié)構(gòu)化設計。采用這種方法，不僅可以確保不同結(jié)構(gòu)間的作用力，而且可以把握住主體的矛盾，使設計內(nèi)容更加簡單。

2.2 模型化結(jié)構(gòu)

公路橋梁的設計要根據(jù)力學的基本規(guī)律來分析各種結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在規(guī)律，而結(jié)構(gòu)化設計則可以把握住主體的矛盾，對其進行建模，使整體的設計更為具體，便于工程的正常進行。在進行結(jié)構(gòu)化設計時，一般都會假定結(jié)構(gòu)的材料是理想的，并以有限的參數(shù)來模擬任意的載荷。這些有限參量既可以是隨機的，也可以是解析的。結(jié)構(gòu)化的設計不僅可以簡化材料的計算，還可以方便地對結(jié)構(gòu)進行預應力分析。

2.3 道路橋梁荷載設計

在承載能力的限制條件下，根據(jù)不同的載荷，對其進行變形;根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，對預應力和預應力狀態(tài)進行檢測，并根據(jù)荷載分項因子進行分析。為了使計算結(jié)果與實際情況相符合，對計算模型的選擇要謹慎，以確保所選的計算模型真實地反映出其真實的力學狀態(tài)。在選擇計算模式時，應充分考慮結(jié)構(gòu)化設計對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，并對其進行具體的分析，以確定最佳的計算模式。

3 常用的結(jié)構(gòu)化設計計算方法

3.1 圖解法

該方法的基本思路是以兩個不同的設計參數(shù)作為橫向軸，根據(jù)變數(shù)的作用畫出相應的坐標系，通過變數(shù)的不等式得到兩個變元在坐標系中的限制域，得到該方程的等高線，并通過求解該方程的切點得到該方程的值。現(xiàn)在普遍采用的是圖形化的算法。

3.2 求解函數(shù)極值

在結(jié)構(gòu)化設計中，最優(yōu)解的方法是把設計變量的不等式轉(zhuǎn)換成方程，然后求出其最優(yōu)解。

3.3 同態(tài)設計法

同態(tài)設計方法仍需將不等式轉(zhuǎn)換成方程，以減少設計空間，便于求解。同態(tài)設計方法雖然不能與原始值相比，但是它能簡化結(jié)構(gòu)化設計的求解，所以在實際中仍有廣泛的應用。

3.4 網(wǎng)絡搜索方法

網(wǎng)絡檢索是一種相對簡單的方法，具有更直接的優(yōu)勢，可以在很短的時間內(nèi)找出最佳的結(jié)構(gòu)化設計方案，但缺點是計算起來比較煩瑣，通常的操作過程是將問題分解為網(wǎng)格，然后根據(jù)特定的規(guī)則，從一個特定的點出發(fā)，確定一個變量，然后逐級地進行檢驗，并根據(jù)一定的次序進行求解，直至得到最優(yōu)解。

4 高速公路橋梁結(jié)構(gòu)化設計的應用

在公路橋梁工程設計中，采用結(jié)構(gòu)化設計是非常必要的，它可以更好地從多個角度考慮整個工程，更好地解決公路橋梁的設計問題。在公路橋梁的設計中，結(jié)構(gòu)化設計的應用主要包括以下幾方面。

4.1 結(jié)構(gòu)化設計在防水層設計中的應用

在公路橋梁設計工作中，防水層的建立是一項相對重要的基礎工作，它在今后的公路橋梁中具有很大的作用，因此要保證其設計的合理性和可靠性。在實施防水層設計時，要著重提高后期排水問題的處理效率，提高整體橋面的防滲性能，這就不可避免地要考慮到整個公路橋梁結(jié)構(gòu)的設計和施工要求。在進行防水層的結(jié)構(gòu)化設計時，要考慮到與防水要求有關的各方面，防止與防水有關的因素不能及時得到處理，從而達到防水的目的。在公路橋梁工程中還要進行精細的設計，以保證其與路面結(jié)構(gòu)的良好結(jié)合，防止掉皮和脫皮;而與防水層有直接聯(lián)系的排水管線則要根據(jù)公路橋梁的整體結(jié)構(gòu)進行合理的設計，使相應的公路橋梁能夠通過排水管道及時排除水分，從而降低積水發(fā)生的概率。

4.2 混凝土的結(jié)構(gòu)化設計要點

4.2.1 加固鋼筋混凝土防護層的厚度

由于鋼筋混凝土是一種很常見的復合結(jié)構(gòu)材料，為了保證其施工質(zhì)量，在設計時要采用加固措施，以避免鋼筋混凝土的銹蝕，從而使其在使用中更安全。

4.2.2 與混凝土的耐久性特征相一致

混凝土的耐久性是影響公路橋梁工程質(zhì)量與壽命的重要因素，但在目前的混凝土工程中，許多施工單位為了追求自身的利益，往往在混凝土工程中存在著偷工減料、忽視整體結(jié)構(gòu)的問題。因此，在進行結(jié)構(gòu)化設計時，應注意保證其耐久性，并合理調(diào)配、拌和，以保證工程質(zhì)量。

4.3 結(jié)構(gòu)化設計在設計方案優(yōu)化中的應用

在公路橋梁工程的設計中，最重要的是要保證設計方案的可行性，特別是要對橋梁的各項性能進行細致的研究。比如風荷和汽車的荷載，都要考慮到目前的設計方案，看看它的實用性，這樣才能更好地提高它的使用壽命，降低它的安全風險。另外，為了保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要對整個公路的結(jié)構(gòu)進行全面、連續(xù)的分析，特別是在某些薄弱的地方，要加大檢查和分析的力度，以保證整個結(jié)構(gòu)的安全。結(jié)構(gòu)化的設計要掌握每一個基礎的細節(jié)，將以前出現(xiàn)過裂紋和脆性斷裂的地方都做詳細的分析，保證設計方案的可靠性。

在實際工程中，由于采用了多種不同的結(jié)構(gòu)模型，設計者要建立相應的計算模型，使其結(jié)構(gòu)參數(shù)得以合理確定，并按指標要求進行施工，才能提高工程質(zhì)量。在不同的結(jié)構(gòu)模式中，離散結(jié)構(gòu)是設計人員合理利用的一種形式。由于該方法具有較大的靈活性和易于實現(xiàn)的特點，使得該結(jié)構(gòu)模式得到了廣泛的應用。

4.4 計算的結(jié)構(gòu)化計算

在進行結(jié)構(gòu)化設計時，應根據(jù)自身的特點，合理地選擇結(jié)構(gòu)化的設計方法，合理地進行結(jié)構(gòu)化的設計，科學地進行結(jié)構(gòu)化的計算，掌握相關的資料，并使其標準化。通常在結(jié)構(gòu)計算時，設計者都會采用圖形化的方式來進行計算，而這一方式主要是采用縱軸的基本原理。在此基礎上，采用橫向、縱向兩個準則來確定任意兩個變量，并以變量的變化為基礎進行繪圖，將變量的資料與可變的函數(shù)不等式相結(jié)合。設計者需要掌握相應的坐標系統(tǒng)，以求出特定的構(gòu)造位置，并據(jù)此有針對性地求出目標函數(shù)的等高線和相對目標函數(shù)值。

4.5 安全性設計

安全生產(chǎn)是高速公路、橋梁施工中的一個關鍵環(huán)節(jié)。要保證工程的質(zhì)量、效益和成本，必須嚴格執(zhí)行工程的各項安全指標。因此，在工程設計中，強化安全設計是十分必要的。不僅要從材料規(guī)格、質(zhì)量、配比、技術(shù)應用和施工工序等多個環(huán)節(jié)上進行強化，以保證施工中的安全，而且要重視施工各個環(huán)節(jié)的安全，并要結(jié)合工程的具體情況，綜合分析各環(huán)節(jié)對施工安全的影響，依據(jù)不同的因素進行合理的施工，避免施工中出現(xiàn)安全風險，對施工的順利進行產(chǎn)生不利的影響。

4.6 合理使用各種結(jié)構(gòu)化模型

由于采用了多種不同的結(jié)構(gòu)化模型，設計者需要建立相應的計算模型，并能對公路橋梁進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，按照指標要求進行施工，以提高公路橋梁的建設質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)化的結(jié)構(gòu)模式是許多結(jié)構(gòu)化模型中的一種，它可以使結(jié)構(gòu)化模型更加自由，而且在轉(zhuǎn)換過程中不會有太大的影響。在使用這種結(jié)構(gòu)的過程中，設計者還可以將相應的力學知識與理論知識相結(jié)合，以達到控制結(jié)構(gòu)的目的，減少結(jié)構(gòu)問題，提高結(jié)構(gòu)的整體性能，提高橋梁的施工質(zhì)量。

4.7 荷載分析設計

荷載是公路橋梁設計中的一個關鍵問題。荷載會使橋梁的耐用性和穩(wěn)定性下降，對結(jié)構(gòu)造成損害。針對當前存在的超限問題，認為當前公路橋梁存在三種超限現(xiàn)象：一是由于公路橋梁運行周期太長;二是目前的交通狀況已超出設計的交通流量;三是汽車經(jīng)常超負荷。長時間的高負荷運行會使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力，長此下去會導致結(jié)構(gòu)的嚴重損壞，甚至不能進行維修，對以后的行車安全有很大影響。另外，在橋梁的后期運行工況下，可以對橋梁的荷載進行科學的控制，而不會發(fā)生超載現(xiàn)象，而且由于外部環(huán)境的作用，橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的變形，對橋梁的耐久性、安全性等產(chǎn)生不利的影響，甚至會導致橋梁的變形、開裂，嚴重影響橋梁的安全性和耐久性。為此，有關部門要加強對公路橋梁超員現(xiàn)象的重視，科學地控制交通流量，及時控制交通違法行為。

4.8 橋梁結(jié)構(gòu)化設計與BIM+信息化技術(shù)的集成

在橋梁結(jié)構(gòu)化設計中，運用BIM+信息化技術(shù)，可以有效地避免工程建設中造成的資源浪費和經(jīng)濟損失。運用BIM技術(shù)中的參數(shù)化結(jié)構(gòu)原理與系統(tǒng)裝備，在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，迅速構(gòu)建三維模型，進行參數(shù)化仿真施工，將傳統(tǒng)的粗糙的現(xiàn)場施工改造為精密的數(shù)字化安裝，可以有效減少資源損耗，提升工程建設速度和質(zhì)量，規(guī)避各種施工安全事故。在工程實踐中，運用BIM技術(shù)和信息技術(shù)進行參數(shù)化建模，能夠提高各種參數(shù)的精度，并對各個部件的指標進行精確的計算，從而提高工程的結(jié)算質(zhì)量。在BIM+信息化技術(shù)的大背景下，通過可視化技術(shù)的特性，可以更直觀、更細致地向施工者展示設計意圖，從而使施工人員能夠更好地掌握各種技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求。此外，通過BIM+信息化技術(shù)的應用，使施工單位能更好地對項目中的各個構(gòu)件和現(xiàn)澆組合方案進行合理的論證，從而保證項目的整體質(zhì)量。

4.9 裝配式橋梁與結(jié)構(gòu)化設計的結(jié)合

我國現(xiàn)有的橋梁多為整體現(xiàn)澆，而結(jié)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)則多為復合。與常規(guī)橋梁相比，拼裝橋在縮短工期和減少交通堵塞方面以及確保工程質(zhì)量、節(jié)約人力、節(jié)約能源、降低環(huán)保、增加工程安全方面有著顯著的優(yōu)越性。在我國，目前較為完善的是完全預制組裝工藝。全預型梁是在工廠或預埋場進行集中裝配;混凝土橋就地組裝。在建筑結(jié)構(gòu)設計中，主要是橋墩的設計，包含預應力接頭裝置的設計，即對預制裝配柱進行裝配，還有頂梁式結(jié)構(gòu)接頭及裝置，例如連接套管、波紋膨脹節(jié)、波紋換熱器等，其構(gòu)造形式能更好地適應圓柱形蓋梁的裝配需求。筆者在對預制節(jié)段進行應力分析的基礎上，確定了影響其關鍵的因素，并討論了其工藝及裝備的使用，從而得出了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)及吊裝方案。

5 結(jié)束語

總之，在具體的設計工作中，如何有效地運用結(jié)構(gòu)化的設計方法是非常重要的一環(huán)，通過結(jié)構(gòu)化的方法，可以更好地解決橋梁的設計問題，提高橋梁的設計水平，避免出現(xiàn)問題，符合當前復雜公路橋梁工程的新要求，應在未來加大推進應用力度。

參考文獻

[1]胡啟榮，孫建國. 結(jié)構(gòu)化設計在道路橋梁設計中的應用[J]. 城市建設理論研究（電子版），2018（12）：144.

[2]陳衛(wèi)健. 結(jié)構(gòu)化設計在道路橋梁設計中的實踐淺析[J]. 中國標準化，2017（10）：148，150.