陶志波

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西 撫州344000）

0 引言

相較于傳統(tǒng)的道路橋梁設計理念、設計方式而言，結構化設計可表現出“分解+整合”的特性，其更傾向于將設計對象的各功能、各部分視為獨立模塊，并實施深層次的拆解與完善。在此基礎上，再將精細設計后的各結構信息整合起來，并實施進一步的優(yōu)化調整，繼而形成符合工程目標、綜合質量可觀的總體設計成果。將結構化設計應用到道路橋梁設計中，能夠統(tǒng)籌達成加強結構、保障安全、延長年限、適應環(huán)境等多項目標，實現工程效益的綜合提升。

1 道路橋梁設計中結構化設計的基本原則

簡單來講，所謂道路橋梁的“結構化設計”，即基于特定的劃分規(guī)則，將道路橋梁整體拆解為多個結構部分或結構類型，并在此基礎上進行專業(yè)化、精細化設計。其后，再對各結構設計結果進行協調完善，最終獲得最優(yōu)化的道路橋梁設計方案。與傳統(tǒng)的設計模式相比，結構化設計更具目的性、細節(jié)性與先進性，對道路橋梁工程建設效益的提升具有重要支持作用。結合行業(yè)經驗來看，在具體實踐中，道路橋梁的結構化設計應堅持如下基本原則。

第一，科學性原則。道路橋梁的建設關乎國計民生，且受到建筑體量大、工程投入多、所處環(huán)境復雜等多種條件限制，面臨著諸多影響因素與風險隱患。在此背景下，道路橋梁的任何一個設計環(huán)節(jié)、設計參數出現紕漏，都有可能導致難以挽回的經濟損失與安全事故。所以，在開展結構化設計的工作實踐時，需要嚴格做到科學嚴謹、專業(yè)細致。例如，在對道路橋梁主體進行設計時，除了要關注鋼混結構本身的構建質量外，還需要考慮到自然風、降雨、地震等外部因素對橋梁耐久性、穩(wěn)定性、安全性的影響，并對風荷載、應力分布、材料強度等參數指標進行科學研究、精確運算。只有這樣，才能保證道路橋梁在竣工建成后全面達到工程目標水平，為當地交通網絡的建設完善提供助力。

第二，規(guī)范性原則。在實施道路橋梁的結構化設計時，應全面做到按規(guī)設計，將《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）《公路圬工橋涵設計規(guī)范》（JTG D61—2005）《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）等各項現行國家標準、行業(yè)規(guī)范中的內容要求作為參考依據與合格準繩。在設計過程中，若發(fā)現結構化設計成果與標準、規(guī)范中的規(guī)定內容存在出入，應嚴格以規(guī)定為準，并對設計方案進行問題排查與深化調整，直至所有方案細節(jié)均處在標準、規(guī)范的允許范圍內。

第三，先進性原則。在功能效益優(yōu)于傳統(tǒng)設計模式的同時，結構化設計的復雜程度與工作量也明顯高于傳統(tǒng)時期。在此背景下，若仍采取人工化、平面化的設計模式，將很難滿足結構化設計的應用需求。因此，需要遵循先進性的實踐原則，將結構化設計與數字化工具結合起來。

例如，將BIM技術與結構化設計相結合，可在平臺虛擬環(huán)境中生成各類結構設計成果的三維模型。在此基礎上，將道路橋梁的多個結構設計模型進行整合時，便可依托BIM平臺的碰撞試驗（見圖1）功能實現不同設計方案間矛盾點的精準排查，以避免出現結構化設計后各分解部分相互沖突的問題，進而為道路橋梁工程后續(xù)建設施工活動提供正確、完善的依據和導向。

圖1 碰撞試驗

2 道路橋梁設計中結構化設計的優(yōu)化要點與完善建議

2.1 道路橋梁設計中結構化設計的優(yōu)化要點

在運用結構化設計理念及方法的背景下，需要明確道路橋梁工程中不同結構的類型特點與搭建需求，并據此完成科學、合規(guī)、協調的設計方案。具體來講，設計中的實踐要點如下：

2.1.1 道路橋梁主體結構的設計

首先把控好主梁設計的要點，道路橋梁的簡支梁結構一般可分為裝配式結構與整體式結構兩種類型。其中，整體式結構為主梁配件合為一體，直接進行梁吊裝，而裝配式結構與其不同，是指將預先確定的主梁配件分開運送，到達施工場地后，再逐步裝配為梁。對于該部分結構設計，可以使支梁運用機械化工程技術，既可以有效降低操作人員勞動強度，也能夠盡可能減少不必要的材料損耗，促進整體工程施工效率的提高，故而目前許多道路橋梁主梁都選擇裝配式結構，為了讓橋梁本身的承重效果更好，選擇主梁造型時多為T形，而混凝土結構的主梁常會選用箱型結構，實施設計時需保證這類主梁結構之間具有一定距離，再基于荷載計算來確定梁高和細部尺寸參數。比如，主梁若設計為對稱形式，那么其荷載分布也會對稱，計算主梁實際荷載量時，可以采用杠桿法，反之則可利用偏心受壓法加以計算，確定主梁的受力點，以免結構中出現安全隱患。

其次，要合理開展橋臺設計。道路橋梁的橋臺設計也是一項重要內容，設計人員需要合理選擇橋臺型式，目前的簡支橋梁中常用到輕型橋臺、薄壁橋臺以及埋置式橋臺，其中輕型橋臺的體積較小，基于設計的需求，可以將其作為擋土翼墻結構；薄壁橋臺能夠被掩藏在橋梁護坡內部，可以對橋臺處荷載力加以削弱。

再次，應科學選擇橋墩，一方面進行分聯墩蓋梁防水設計，其頂層設計需具有一定坡度，對蓋梁上部分需設計防護層結構和滴水槽結構，這是為了防止墩蓋梁出現積水情況而被侵蝕；另一方面要把控樁頂設計，樁基頂部很容易出現應力集中情況，在進行設計時要充分考慮周圍環(huán)境，明確樁頂位置水位，將其作為設計重要依據，避免地表水和地下水排放造成不良影響。

最后，合理設計上部結構，一是鋪設好橋體表面，讓車輛與橋面進行接觸，其會作為首道橋體排水線，妥善鋪設設計可降低橋體表面的受損害程度，避免影響到橋體本身的防水性能；二是二道防水層設計，在結構主梁與橋體表面之間增加一層防水層，作為第二道主梁隔水防線，采用具有隔水功能的材料作防水層，但要避免層面性能過剛，否則會出現開裂情況；三是設計伸縮性縫隙，橋體表面若是具有伸縮縫，可以進一步提高橋體伸縮性能，也能夠讓橋體運行的舒適性更強，但要注意防止主梁型號不合適而出現端口損傷問題，伸縮縫設計也需考慮到防水性，避免選擇直線式伸縮縫，其很容易出現漏水情況，可設計為翹頭式，具有一定閉合功能，以免分聯墩蓋上的積水侵入伸縮縫當中。

2.1.2 道路橋梁抗震結構的設計

在進行道路橋梁的抗震結構設計時，需要先對橋梁的抗震等級、設防烈度做出明確。其中，抗震等級的認定條件如表1所示。在此基礎上，根據重力加速度的差異，可按相關現行規(guī)范將橋梁的抗震設防烈度分為6至9度。其后，結合不同烈度，對道路橋梁抗震結構實施針對性設計。若烈度為6，則需要對簡支梁與橋墩、蓋梁等部位之間的距離加以控制，具體公式為A≥70 + 0.5L。其中，A為間隔距離的設計值，L則為簡支梁的跨徑數值。若烈度為7，除了要滿足6度區(qū)的抗震標準以外，還需要在設計方案中通過螺栓、夾板等連接手段對簡支梁實施固定保護，以避免橋梁在地震影響下出現落梁事故。若烈度為8，不僅要達到各次級烈度的設計要求，還應注意多項要點。例如，設計橋梁支座時，應嚴禁使用擺柱形式。在此基礎上，若將支座設計為輥軸形式，則需要對其實施限位保護。再如，為了達到更高的結構抗震效果，在設計橋墩、橋臺等部位時，所使用水泥砂漿材料的強度應較現行規(guī)范標準提升一級。當道路橋梁的抗震設防烈度達到9度時，其結構抗震性能應盡可能達到最高水平。例如，在設計選用橋墩、橋臺等橋梁下部結構的材質時，應嚴格保證混凝土強度在C25以上，并加配足量的鋼筋材料，以保證橋梁的穩(wěn)定性，避免局部開裂、主體沉降等負面情況發(fā)生。

表1 橋梁抗震等級的認定

2.1.3 道路橋梁防水結構的設計

將結構化設計應用于道路橋梁的防水設計，能夠大幅提升橋梁整體對于水分侵蝕的抵御能力，進而保障橋梁的結構強度與耐久性。具體實踐中，一方面要把控好防水材料性能的設計質量。若所選材料為自黏型卷材，則材料厚度應控制在2.5mm以內，以免因卷材過厚而對黏結密封效果產生影響。反之，若所選防水材料為熱熔型卷材，則應適當增加卷材厚度，以避免現場熱熔作業(yè)時對橋梁主體材料質量產生負面影響。另一方面，還需從結構優(yōu)化的角度入手，增強道路橋梁的防排水性能。例如，可在伸縮槽側邊設置滲水管道，并在橋面排水口側緣設置滲水孔。這樣一來，當自然雨水徑流至伸縮槽、排水口等部位時，滲水管、滲水孔便可發(fā)揮作用，將殘余積水排出橋面，以避免橋體內部遭受水分侵蝕。

2.1.4 道路橋梁抗風結構的設計

在道路橋梁工程的結構化設計中，抗風結構設計主要是針對橋梁設施的建設而言的。設計時，首先需要全面采集與橋梁風振抗性相關的各項參數，具體包括當地的風向、風力、風速以及橋梁本身所能承受的最大抖振幅度、顫振臨界風速等。其中，風向、風力等參數可通過調查歷史資料或現場儀器測量進行直接獲取，其余參數則需要根據實際工程情況進行運算分析。在此基礎上，橋梁所處環(huán)境的風速、風力若在抖振幅度、顫振風速的允許范圍內，則橋梁結構相對安全穩(wěn)定。反之，則表明橋梁會受到自然風的較大負面影響，可能出現結構疲勞、局部失穩(wěn)等問題。其次，需要對靜力條件下的橋梁抗風系數進行運算，即分析自然風場在受到橋梁建筑落成影響后，風對橋梁結構產生的作用力。具體來講，可將風荷載細分為阻力、升力、升力矩三個部分，具體的運算公式如下：

式（1）～式（3）中：F為阻力；F為升力；M為升力矩；U為橋梁所處環(huán)境的風速均值；C、C、C分別為阻力、升力、升力矩的系數；D、B分別為橋梁建筑的實際高度與寬度；ρ則是橋梁所處環(huán)境的空氣密度。在實測并運算得出風荷載的各作用力數值后，即可結合《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）這一現行規(guī)范中的相關內容，對橋梁設計結構的抗風性能做進一步確定。

2.1.5 道路橋梁防崩結構的設計

為了保障道路橋梁鋼結構主體的穩(wěn)定性，還需要在結構化設計中做好防崩設計工作。首先，需要對橋梁管道與管底水泥間的連接質量進行把控，確保其結構穩(wěn)定、完整密實。其次，路橋梁板底部是發(fā)生鋼筋崩裂故障的常見區(qū)域，需要在設計中對此提起重視。實踐時，應在梁底鋼筋外部加設閉合箍筋，從而對原有的鋼筋結構形成固定作用，并實現鋼筋受力分布情況的有效改善。最后，在設計路橋合龍段時，應確保兩側路橋施工段的高差小于3cm，以便更好地提高路橋結構的防崩性能。

2.2 道路橋梁設計中結構化設計的完善建議

從目前來看，道路橋梁結構化設計在遵循“先分解，后整合”這一邏輯的前提下，衍生出了多種設計手段，主要包括簡化荷載設計、模型化設計、離散化設計、求極值設計等。這些設計手段均有其獨特優(yōu)勢，如簡化荷載設計側重于據實反映路橋結構的受力分布狀態(tài)，模型化設計側重于路橋結構的邏輯性拆分等。在道路橋梁的結構化設計實踐中，可根據不同的工作條件、設計需求，對各類衍生設計手段進行科學選用或綜合利用，勢必能達到更加高效率、高質量的設計效果。

3 結語

綜上所述，將結構化設計應用到道路橋梁的工程設計中，極具優(yōu)勢性與必要性。在開展設計工作時，需要將道路橋梁整體細化分解為主體結構、抗震結構、抗風結構、防水結構等多個部分，并結合相關規(guī)范與結構特性，實施專項化、精細化的設計，從而確保道路橋梁綜合設計質量處于較高水平。此外，還需做好多種設計手段的綜合運用，以便進一步提升道路橋梁設計質量，實現結構化設計價值的充分發(fā)揮。