關于結構化設計在道路橋梁設計中的應用

曾文

摘要：隨著我國經濟的飛速發展，交通運輸業也獲得巨大的發展與進步，作為交通業中重要的道路橋梁設計也得到廣泛關注。本文闡述了道路橋梁結構化設計的必要性。對結構化設計的不同計算模型進行分析，探討了結構化設計的常用解法，論述了道路橋梁設計中的結構化設計應用原則。

關鍵詞：結構化設計;道路橋梁設計;計算模型;應用原則;使用價值

一、道路橋梁結構的設計要求逐漸提高，傳統的設計方法，例如定值設計法，難以滿足現行的設計規范要求，傳統水平的設計對橋梁結構建設中造成了各種不確定因素，并未遵循適用、經濟和安全性等原則，難以達到建設質量和設計美感的均衡。結構化設計能有效彌補傳統設計方法中的不足，道路橋梁設計中的應用優勢明顯。

二、 結構化設計的必要性

傳統的橋梁設計在選擇材料、布置總體、工藝和結構制造上遵循著前期的設計方案，并對結構做后期的分析，利用力學原理，分析檢驗設計結構的可行性和操作性，存在問題并修改。此類設計方法并不是最優的設計，無法優化和彌補不足，僅僅檢驗可行性與操作性，安全性以及科學性欠考慮。因此，現代化的結構化設計迎合了時代的要求。 結構化設計的方法是程序設計技術發展的產物，主流思想是自頂向下細化、模塊化和結構化，通過將設計劃分為幾大模塊，每個模塊具備單一、獨立的功能且不受牽制，詳細設計和概要設計都能統一。結構化設計的載體是結構圖，描述設計圖紙能夠達到設計效果。

三、 結構化設計的不同計算模型

（一） 離散化結構

道路橋梁結構設計中，結構的自由度存在無限性，如何轉化為有限性，并將整個結構劃分有限的幾個部分，整體性劃分成離散化是重要關注點。離散化的結構是有限性的體現，該結構在受力方面更有優勢，設計施工更有便利。

（二） 模型化結構

力學原理對道路橋梁設計有著指導性的作用，各種結構的力學存在內在的規律性，分析結構化設計的內在規律，并對結構模型的主要矛盾分析，結構模型化處理后的整體設計要求具體化，模型化的結構使整個設計變得更加具體，易于施工。

（三）簡化的材料和荷載

結構化設計中使用的結構材料的可塑性和彈性都控制在最佳的范圍內，理想塑性和理想彈性能夠激發有限的參數，用于模擬實踐結構的無限自由度，應付隨機荷載。彈性性質參數是有限的并具有概率特性，當然，也具備是解析式的參數的性質。結構化設計能夠簡化材料和荷載，并運用計算技術便于施工前的結構設計。計算技術計算結果需要理想化，并與實際的結構狀況相吻合，那么在計算模型的選取需要慎重，計算模型要切合實際，真實有效地反映出橋梁結構的實際受力狀況。因此，充分考慮結構化設計在橋梁結構設計中發揮的具體作用來選取計算模型，才能結合實際制定出最合理的計算模型。

四、 結構化設計常用的解法

（一） 圖解法

二維結構的設計分析，需要橫坐標的設計變量，也需要縱坐標的設計變量，應用圖解法適合各種二維結構的設計。在橫縱坐標的兩種變量約束條件下，兩曲線指標構成了圖形，圖形反映為有上下界限的約束區域，接著在目標的約束區域內設置函數的等值線，目標函數值就是等值線與可行區域的外邊界相切點。

（二） 求解函數極值

所求函數的極值，在約束區域內建立的不等式需要化簡，并轉變為等式形式，若等式形式有目標函數中的變量，變量函數必須轉化成為僅含一個變量的目標函數值，計算出的函數極值，由此得到的最大最小值能夠達到結構化設計的目標。

（三） 同態設計法

同態設計法就是縮小設計空間的可行性，并運用等式約束，要將不等式約束來換作，該設計法的解與原解有著優劣之分，等式約束下，同態設計的解難易算出。難解就是改方法的不足，然而應用在實際結構設計中，仍有許多的結構構件設計的可行性，用同態設計法能夠化繁為簡，結構化設計中復雜的結構計算問題迎刃而解。

（四） 網絡搜索的方法

網絡搜索法是一種最為直觀并傳統的方法，首先在某個區域范圍內劃分各種點，該辦法控制著不同的網格點，并保障每個點代表不同的設計，接著采用規律性地搜索，循序漸進的搜索并找到了最有代表性最優解的網格點。網絡搜索法的應用前需要確定固定的變量，固定變量其余的變量增加驗算環節，在驗算時按照從小到大的順序，計算網格點滿足約束條件。所有的滿足條件的網格點中，選出最優滿足目標函數的點也是最優解。

五、結構化設計在道路橋梁設計中的應用方法

（一） 截面形式選擇

道路橋梁設計中，截面形式的選擇能夠符合道路橋梁的負荷，考慮荷載本身的承重以及道路橋梁的自身承重，在滿足性能要求的前提下，充分考慮道路橋梁使用的材料，增加重量情況下，要控制截面形式往重量小、結構優良的方向施工，空壁式的材料設計對減少道路橋梁的壓力效果顯著。

（二）支撐力的協調

道路橋梁的設計中，橋梁的支撐力設計要強調其的均勻分布布置，不僅能夠支撐橋梁又能充分利用材料。此外，道路橋梁即是一個整體又具有結構連續性，道路橋梁的各個部分均勻受力就是滿足結構的連續性的特性，這樣才能夠實現道路橋梁的整體受力，橋梁結構的受力系統、整體，以減少道路橋梁的建筑成耗用。

（三） 材料及結構的相互整合

道路橋梁的結構和材料的受力性和負載力對整體結構的承重產生的影響非同小可，由此可見，道路橋梁的結構化設計不可忽略材料和結構的和諧度，兩者相互整合相互配比，兩者的最優配置才能實現結構和材料的最佳稱重值。當然，需要承重大的受力種的道路結構選擇優質材料。

（四） 全面掌握各個部位特征

道路橋梁的結構化設計時不僅僅是局部構件的設計，劃分后的各個部分特點差別性大，充分掌握道路橋梁的每個部分的特點，有利于其部分發揮的最佳作用，因此，設計方案的完善，是對道路橋梁的各個結構有機地整合，優化配置并使各個部分發揮應用價值，有利于提高橋梁的運作性能。橋梁結構施工要求基于復雜環境中發揮的潛力不同，充分研究各主要受力構件的性能，便于在不同使用情況的不同設計，達到受力桿在不同設計情況下充分發揮綜合作用的目的。

（五） 保持結構連續性

因為道路橋梁是一個整體，所以在進行結構化設計過程中必須要確保其整體結構連續與穩定，確保道路橋梁每個部位受力均勻，如此一來方可以提高整體道路橋梁結構的承載能力，減少其相關建設成本。

六、 結語：

總而言之，結構化設計在道路橋梁設計中的應用提高了道路橋梁工程的整體質量，遵循著建筑工程的安全性、經濟性原則，不僅適應了道路橋梁發展的需要，也成為了道路橋梁設計方法的最優選擇，具有廣闊的市場應用價值，所以在實際設計過程中，工作人員應當要能夠正確掌握其計算模型、常用解法以及具體應用方法，切實保證道路橋梁結構化設計質量，確保整體道路橋梁的穩固與安全。

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