基于施工角度的橋梁結構優化設計分析

摘 要：改革開放以來，我國經濟得到了飛速發展，由此帶動了交通運輸和公路等行業的發展和進步；隨著人們生活水平和社會生產水平的跨越式提高，我國道路和交通承載著巨大的壓力，由此交通業中現代橋梁的建設得到人們的廣泛關注。文章主要對現代橋梁結構優化設計的必要性及其在現代橋梁設計中的有效應用進行簡要闡述。

關鍵詞：結構優化；現代橋梁；設計

引言

在現代橋梁設計過程中，對結構的設計應該在遵循基本原則的前提下對傳統設計方法進行改進，這就需要相關設計人員在設計過程中，除了考慮結構的基本效能，還應該將優質的設計成果作為設計目標。一般來說，由于現代化結構設計秉承了安全、實用和經濟的原則，能夠解決傳統設計方法中的各種問題，由此現代化結構設計在道路現代橋梁結構設計中的應用有著廣泛的前景，通過結構優化設計可以有效解決現代橋梁設計中存在的一些問題。

1 現代橋梁中進行結構優化設計的必要性

1.1 現代化建設需要結構優化設計

一般來說，傳統的現代橋梁設計主要流程包括以下幾個方面：首先，設計師在設計方案之前對前人的經驗和實踐成果進行收集并加以借鑒，根據經驗對初始的設計方案進行判斷和制定，主要包括選擇材料、整體布置、制造工藝的安排和結構尺寸的規定等方面任務；其次，根據各方面情況對結構進行分析；最后利用力學分析的方式，對結構是否可行進行分析和判斷，并且根據實際情況對結構進行修改和完善。由此我們可以明確，傳統的設計方法只能夠對簡單的現代橋梁進行設計，并且只能夠對施工方案的可行性和安全性進行保證，無法使工程進行優化設計，難以滿足日益復雜化的道路現代橋梁結構設計的要求。而現代化結構設計不僅有利于現代橋梁工程的設計方案優化，保障工程的質量水平，也能夠保證現代橋梁工程的使用價值和經濟效益并行。因此，進行結構優化設計尤為重要。

1.2 結構優化設計是現代橋梁設計方法的最優選擇

與傳統的現代橋梁設計方法相比而言，結構優化設計方法主要是由自動向下細化、模塊化和結構優化程序設計等程序化設計發展演變而來的，其主要思路是將設計分為具有單一功能且相互獨立的模塊結構，在結構優化設計中主要有兩種設計方法，一種是詳細設計，一種是概要設計，而這兩種設計方法都是通過結構圖對設計階段進行描述的。例如，橋頭搭板的結構設計在現代橋梁工程應用過程中，不僅對搭板寬度、厚度和長度進行了適當的調整，對搭板的埋設深度也進行了科學的計算和調整，從而實現相對優越的橋頭搭板結構。結構優化設計通過充分利用計算機對現代橋梁進行設計，可以更加簡便地運算出結構優化設計的相關數據，并且計算機計算的數據準確度較高，促使設計的結果與現實中的實物更加接近，從而保證道路現代橋梁設計不會出現可避免的錯誤。在現代化現代橋梁設計中，加強結構優化設計不僅能夠滿足現代橋梁快速發展的需求，也是現代橋梁設計方法的唯一最優選項。

2 結構優化設計的計算模型

2.1 離散化結構

在現代橋梁結構設計中，應將結構的無限自由度進行轉化，最終轉化為有限的自由度，這樣便可以將一個復雜的整體分為有限部分，這就是對整體結構進行離散化的劃分。離散化結構設計所形成的離散化結構不僅能夠對受力狀況進行有效分析，還能夠使設計施工簡單化。

2.2 模型化結構

現代橋梁的結構設計中，在轉化結構的自由度的同時，還應該對不同結構的內在規律進行分析，在分析過程中采用的原理主要是力學原理，在結構優化具體設計過程中不僅能夠抓住主要矛盾對結構進行模型化處理，還能夠通過模型化結構的處理使整個設計變得更加具體，使整個施工過程能夠順利進行和高質量完成。在結構優化設計中，一般是將結構的材料假設為具有理想彈性的、具有理想塑性的或者具有理想彈塑性的，并且將無限自由度隨機載荷作為有限參數進行模擬。這樣，模擬過程與實際過程相比較而言，模擬過程的材料和荷載在計算時就會變得更加簡單。

2.3 簡化的材料和荷載

結構優化設計通常會假設結構的材料具有理想塑性和理想彈性的，并且使用有限的參數對無限自由度進行隨機荷載的模擬。這些有限的參數可以是具有概率特征的參數，也可以是解析式的參數，結構優化設計使材料和荷載在計算時變得更加簡化，也有利于更好地進行施工前的結構設計。當然，任何情況下的假設都不能與實際偏離，最終的目的是保證假設結果能夠與實際吻合，這就必須考慮計算模型的選擇，保證所選取的計算模型能夠真正反映出現代橋梁結構的實際受力情況，參照多方面影響因素進行具體分析。

3 結構優化設計的一般解法

3.1 圖解法

一般情況下，對于二維問題的解決采用的基本上都是圖解法。利用圖解法解決二維問題主要是將一個設計變量作為橫坐標，將另一個設計變量作為縱坐標，由此做出符合兩種約束條件的曲線圖形，從圖形和約束條件中可以確定上界和下界的約束范圍，并且在確定了約束范圍之后，可以在約束范圍之內做出相應的目標函數的等值線，這時，函數目標等值線與可行區域的外界是相切的，而這切點就是目標函數值，即所需要求的目標值。

3.2 函數極值的計算

在計算函數極值的過程中，應該首先將約束不等式轉化為等式形式，其次將目標函數中的變量進行消除，這樣目標函數便成為只含有一個變量的函數，最后求出函數的最大值和最小值，從而達到結構優化的設計目標。

3.3 同態設計準則

在結構優化設計中進行同態設計主要是指以某些破壞形態同時出現作為最優設計的依據，對現代橋梁進行結構優化設計。在同態設計中，首先是利用等式約束對不等式約束進行替換，以達到縮小可行設計空間的目的，而設計空間的縮小，不僅能夠得到只能劣于原問題的解，而且在約束為獨立且約束數大于變量數的時候，同態設計可以是無解的，但是原問題依然是有解的。在實際工程中卻存在著大量結構構件，當這些構件受壓時便可以采用同態設計準則對這些構件進行處理。在處理過程中，如果問題的約束數和變量數是相等的，那么優化設計便只能作為一組代數方程進行求解；如果約束數是大于變量數的，那么在設計過程中便可以根據設計者的經驗對約束進行必要的刪除，從而區分出主動約束和被動約束，在解出變量之后，再將刪除的約束進行檢驗；如果約束數小于變量數，那么應該首先對變量之間的關系進行排查和尋找，以此來補充約束方程。

3.4 網絡搜索法

在結構優化設計中，網絡搜索法是最直觀、最原始的方法，通過這種方法可以將問題在一定的范圍之內劃分為多個網格點，而每個網格點所代表的設計是不同的，所以在搜索時應該按照一定的規律進行，最終找出代表最優解的網格點。采用網絡搜索法對道路現代橋梁進行設計時，必須首先對一個變量進行固定，然后對其他變量進行驗算，驗算是由小到大的順序進行的，這樣才能夠保證所有的點都能滿足約束條件。

4 結構優化設計在現代橋梁設計中的應用原則

首先，結構優化設計在現代橋梁設計的應用過程中應該對剛度配置和截面形式進行科學合理的配置，對位移和內力的分布調整進行合理化設計，以此減輕結構的重量；其次，在結構優化設計過程中應該簡單和直接地對力的傳遞路線進行布置，這樣不僅能夠減少施工過程中的材料使用量，還能夠促使外荷載的平衡，從而減輕結構的重量；再者，在道路現代橋梁的結構優化設計中，應該遵循連續性的原則，盡量使現代橋梁結構的每一個部分組成一個整體，這樣，不僅能夠促進力的傳遞路徑的簡單化，還能夠使結構的受力范圍增大，從而達到節約成本的效果；最后，在結構優化設計中還應該對主要受力構件的性能進行深入研究，使構件在應用過程中充分發揮其潛力，為了減少主要的受力桿數量，還應該對結構的各種使用情況進行設計。

5 結束語

現代橋梁的建設對于促進我國經濟發展有著舉足輕重的作用，要想完善我國的交通建設，必須加強現代橋梁的建設和設計工作的管理，使得建設完成的每一條道路和每一個現代橋梁都能夠經得起時間的考驗。結構優化設計在現代橋梁設計中的應用為現代橋梁工程的質量、安全性和經濟性都提供了一定的保障，因此，在現代橋梁設計中有效應用結構優化設計是必要的。

參考文獻

[1]劉文靜.LRB隔震橋梁的可靠性與等效線性化方法研究[D].華中科技大學，2014.

[2]周林云，萬水.GFRP橋面板截面設計與結構分析[A].2011復合材料橋梁技術研討會論文集[C].2014.

[3]王言磊，郝慶多，歐進萍.FRP-混凝土組合橋面結構熱應力分析[A].2011復合材料橋梁技術研討會論文集[C].2014.

[4]劉霞.結構優化設計的遺傳演化算法研究[D].湖南大學，2012.

作者簡介：陳明（1981，8-），男，河南鄭州人，本科，工程師，研究方向：鐵路施工。