結構化設計在道路橋梁設計中的應用

李艷暉

（江蘇淮安交通勘察設計研究院有限公司揚州分公司，江蘇 揚州 225200）

在設計道路橋梁結構時，遵守的基本原則就是安全性、適用性和經濟性，傳統的設計方法通常選用定值設計法，主要目的就是滿足設計規范要求，達到最低水平的設計，這種設計方法對橋梁結構中存在的許多不確定因素不能進行描述與處理，也不能對適用、經濟和安全等指標進行定量性的分析計算，對這些指標之間的矛盾無法進行調和，很難達到三者的均衡。結構化設計能有效解決傳統設計方法中的問題，在道路橋梁設計中的應用得到證實，有非常廣闊的前景。

1 結構化設計的必要性

傳統的橋梁設計流程首先是根據經驗判斷制定初始的設計方案，包括材料的選擇、總體的布置、制造的工藝和結構尺寸等方面；接著是對結構進行分析；最后進行力學分析，檢驗設計結構是否可行，并根據不同情況進行修改。這種設計方法，只是對施工方案的可行性與安全性進行檢驗，不能夠做到最優的設計，很難滿足對橋梁結構設計需求日益復雜的要求，因此，結構化設計變得尤為必要。

結構化設計的方法主要是基于自頂向下細化、模塊化和結構化程序設計等程序設計技術發展而來的，主要的思想就是把設計分為具有單一功能且相互獨立的模塊結構，主要包括詳細設計和概要設計。結構化設計主要通過結構圖進行設計階段的描述。結構化設計在道路橋梁設計中的應用，不僅是道路橋梁發展的需要，也是道路橋梁設計方法的最優選擇。

2 結構化設計的不同計算模型

2.1 離散化結構

在道路橋梁結構設計時需要把結構的無限自由度轉化為有限的自由度，也就是把整個結構分為有限個部分，這種劃分就把整個結構進行了離散化的劃分。這種結構化設計形成的離散化的結構有利于受力分析，更容易進行設計施工。

2.2 模型化結構

道路橋梁設計中要運用力學原理對各種結構的內在規律性進行分析，結構化設計能夠做到抓住主要矛盾對結構進行模型化處理，模型化的結構使整個設計變得更加具體，易于施工的正常進行。

2.3 簡化的材料和荷載

結構化設計通常會假設結構的材料是具有理想塑性和理想彈性的，而且用有限的參數來模擬具有無限自由度的隨機荷載。這些有限的參數可以是具有概率特性的參數，也可以是解析式的參數。結構化設計使材料和荷載在計算時變得更加簡化，也利于更好的進行施工前的結構設計。

要想使計算結果能夠吻合實際的結構狀況，在很大程度上取決于對計算模型的選取，因要慎重的選擇計算模型，要保證選取的計算模型能夠真正地反映出橋梁結構的實際受力狀況。選取計算模型時，要充分考慮結構化設計在橋梁結構設計中的具體情況，具體情況具體分析，從而制定出最合理的計算模型。

3 結構化設計常用的解法

3.1 圖解法

圖解法適合各種二維結構的設計分析，圖解法的基本思想就是把一個設計變量作為橫坐標，另一個設計變量作為縱坐標，做出符合兩種約束條件的曲線圖形，進而得到上下界限的約束區域，在約束區域內做出目標函數的等值線，這一系列的等值線與可行區域的外邊界相切，所得的切點就是目標函數值。

3.2 求解函數極值

計算函數的極值，首先要把約束不等式變為等式形式，然后再去消除目標函數中的變量，使目標函數變為僅含一個變量的函數，從而可以求出函數的最大最小值，達到結構化設計的目的。

3.3 同態設計法

把不等式約束換作等式約束，縮小了設計空間的可行性，這就是同態設計法。這種方法得到的解是劣于原解的，有時同態設計會得不到解。雖然這種方法有不足之處，但在實際結構設計中仍然有許多的結構構件需要用同態設計法來解決。結構化設計中的同態設計法能使復雜的結構計算問題變得更易于計算。

3.4 網絡搜索的方法

作為一種直觀切原始的方法，網絡搜索法把問題在一定的范圍內劃分成許多的網格點，每個點代表不同的設計，按照一定的規律進行循序漸進的搜索，從而能夠找到代表最優解的網格點。使用該法進行橋梁設計時，首先要固定一個變量，在對其他變量進行由小到大的驗算，在驗算時要使所有的點滿足約束條件。在最后得出的可行的解中，選出最能滿足目標函數的點，這就是所求的最優的解。

4 結構化設計在道路橋梁設計中的應用原則

（1）選用科學合理的剛度配置和截面形式，要想使結構的重量盡量輕點，就要把位移與內力的分布調整的更加合理，同時材料的剛度配置也要符合規范要求。（2）盡量使力的傳遞路線直接簡單，這樣支承反力才能更好地直接平衡外荷載，從而結構的重量會越輕，利于施工進行的同時還節約了材料。（3）要符合連續性的要求，如果使橋梁結構的各個部分形成一個統一的整體，不但使力的傳遞線路簡單直接，還會使結構的受力范圍增大，從而能夠降低結構受到的整體內力，還能降低材料用量，節約成本。（4）設計時要充分考慮各種材料的組合，充分結合結構的幾何形狀與受力特征，各種不同材料的優良性能的充分組合，能夠減輕結構的整體質量。（5）充分研究各主要受力構件的性能，發揮其潛力。橋梁結構根據不同的施工要求需要在不同的復雜環境中工作，結構化設計對結構的各種使用情況進行設計，為了使主要的受力桿數量減少，要讓受力桿在各種設計情況下充分發揮作用，以期達到綜合運用的目的，從而節省材料用量，縮減成本。

結語

近年來我國基礎建設不斷發展，道路橋梁建設作為交通運輸業的核心環節，要想取得巨大的發展進步，必須做好施工建設工作，而要想保證施工很好地進行，就要做好施工前的設計工作。通過實踐證明，結構化設計在道路橋梁設計中的應用不但保證了道路橋梁工程的質量，還保證了工程的安全性和經濟性。結構化設計的應用有廣闊的市場前景和使用價值。

[1]劉剛.道路橋梁設計與施工分析[J].民營科技，2012.

[2]李建勛.關于對道路橋梁設計及其施工的分析[J].商品與質量：學術觀察，2012.