結構化設計在橋梁工程設計中的應用

王文慧

摘 要：本文基于結構化設計的原理，分析了其應用于橋梁設計的可行性和重要性，并詳細剖析了其發揮作用的應用原則和應用方面，以期能夠為橋梁工程設計的改進提供理論支持。

關鍵詞：結構化設計;橋梁工程;工程應用

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A

0 引言

為了適應日益上升的交通需求，我國公路建設在數量和體量上都得到了快速的增長，而橋梁作為公路中重要的組成部分，也呈現出向著復雜化發展的趨勢，傳統設計方法已經難以滿足橋梁建設需求，亟需更為高效的技術、手段來改進設計方法。近些年，設計技術在不斷地改進，實踐中引入了結構化設計法，并憑借其所具有的諸多獨特優勢在橋梁設計中得以廣泛應用，優化了傳統設計方法。實踐表明，結構化設計對于橋梁設計中的不確定值問題有著很好的解決效果，在保障設計方案可靠的基礎上，具有突出的經濟效益。

1 結構化設計概述

結構化設計是一種以設計數據為分析對象，旨在通過對設計方案進行評價而完成優化的設計方法。該方法應用于道路橋梁設計中，能夠構建設計方案對應的模型并進行評價計算，以此來選擇最優的設計方案。研究表明，結構化設計方法的應用效果取決于相關模型的建立以及計算方法的選擇。結構化設計中構建分析模型的方法主要有離散化結構設計、荷載結構化設計等;模型計算方法的主要方法有圖解法、同態設計法等。在設計時，要對模型構建方法、模型計算方法進行合理的組合，以此來最大程度地優化設計方案。

2 結構化設計在橋梁工程設計中的重要性和可行性

2.1 結構化設計在橋梁工程設計中的重要性

結構化設計的基礎是建設地的地理條件數據、橋梁設計預期，并依賴模型計算來分析設計方案的可靠性，是一種基于傳統設計的改進方法，能夠為日益復雜的橋梁設計創造更好的設計條件。不同的是，在傳統設計方法中對于建設材料和建設工藝的選擇大多是基于設計人員的經驗，缺乏具體的選擇依據，方案的準確性難以得到保障，容易產生偏差。而結構化的設計有著強大的功能性，能夠協助設計人員對設計的各個方面進行可靠的決斷，并增強建設的施工組織性。此外，結構化設計中，通過方法管控模塊設計和結構設計，能夠將改變傳統設計中的單一模塊形式轉變為多模塊形式，覆蓋設計的多指標，有效細化設計。

2.2 結構化設計在橋梁工程設計中的可行性

結構化設計方法優化設計方案的原理是對多個方案的指標進行分析評價，以此來找出最優的一個。而結構化設計的主要目的有兩個：（1）保障橋梁質量。確保在規范施工下，竣工交付后橋梁在設計使用年限內強度、耐久等多項指標能夠滿足國家相關規范和設計預期。（2）在保障橋梁各項性能符合要求的前提下，縮短建設工期、降低建設成本。由此可以看出，在橋梁設計中應用結構化設計方法在原理上是合理的，具有足夠的可行性。

結構化設計具體實現的主要途徑是提高建設結構的荷載效力和承受力，以此來改善橋梁的工作性能，這兩方面是結構化設計的渠道和重點，設計時應當引起足夠的重視。為盡可能減小客觀因素對設計方案的影響，在實際的設計中還要對擬建橋梁所處的環境條件進行勘測，并予以充分的考慮。結構化設計中一般通過安全系數來反映環境對設計方案的干擾，并借助計算機對環境影響指標進行評估。

3 結構化設計在橋梁工程設計中的應用原則

3.1 簡單、規則

該原則的含義即是橋梁設計時在滿足橋梁基本質量要求的基礎上，盡可能地選擇形式簡單、外形規則的結構。因為這一類結構在荷載傳遞路徑上較為明確，便于設計的開展，且能夠很好地避免應力集中等不利影響，將外荷載在結構內均勻、合理地分散傳遞，提升結構整體力學性能。研究表明，簡單、規則的結構設計對于節省材料用量、簡化施工工藝有著積極的影響，可以大大降低建設成本，提升建設項目的綜合效益。

3.2 綜合性

橋梁設計時，其方案水平牽涉到了多個方面的指標，譬如質量、成本、工期等，但這些指標之間彼此又相互關聯，如較高的質量往往也意味著更高的成本和更長的工期。因此在設計結構時就需要對這些指標進行綜合考量，提升設計的綜合性，在保障質量的前提下盡可能地降低成本、縮短工期。同時，設計人員在對某一指標進行優化時，也會帶來其他指標的變動，如受力更優的結構可以節省材料，以此達到降低成本的目的。

3.3 科學性

橋梁工程在設計時，需要對其結構、材料、工期進行充分的考量，為結構化設計提供足夠的科學支撐，減小橋梁建設的質量風險。設計人員在設計時要特別注意外在因素的干擾，根據工程建設的條件對風險性進行評估并制定好相對應的應對措施，為橋梁正常工作提供可靠保障。

3.4 前瞻性

目前，我國的交通運輸需求正處于日益上升的階段，且未來仍具有巨大的發展空間，橋梁作為交通運輸中重要的一環，其未來也將承擔較大的使用壓力。在這樣的發展背景下，橋梁設計就不僅僅需要保障目前的使用需求，更是要在設計初期就對未來橋梁的使用有一定前瞻性，保障橋梁在設計使用年限內都具有足夠的適用性。這就需要設計人員對擬建橋梁的運輸發展情況有充分的認識，并在橋梁的設計上提高要求，適應橋梁使用中可能增大的作用強度、作用密度等。

3.5 目標拆解

橋梁設計整體的目標可以拆解為多個小的方面來開展，譬如從建設材料和結構設計兩方面來進行。一方面，根據結構的實際受力狀態選擇適當的材料，充分發揮材料的力學特性;另一方面依據不同結構形式的受力情況來優化結構設計，提升結構整體質量，提升使用安全性。

4 結構化設計的具體方法

在進行結構化設計時常用的具體方法有圖形法、函數極值法和同態設計法三種，下面針對這三種方法進行介紹：

4.1 圖形法

圖形法是借助二維坐標系建立具有約束邊界的一個范圍，邊界條件根據工程實際情況以及規范要求來取得。邊界條件確定后，即可引入目標函數，目標函數在邊界點取得的最大值與最小值即為設計范圍。

4.2 函數極值法

函數極值法則主要借助數學手段來完成設計，一般可通過求導等方式來取得目標函數的極大值與極小值，以此來實現結構化設計。

4.3 同態設計法

同態設計法的特點在于其將設計中的范圍條件轉化為了等價條件，因此其相較于其他方法更加便于操作，能夠大大簡化設計流程，提升設計速度，更具備實際應用性。

5 結構化設計應用于橋梁工程設計

5.1 結構化設計的原則

（1）結構截面、建設材料的選擇。設計人員在進行橋梁的設計時，需要充分考慮橋梁運營中可能受到的各種荷載和作用，盡可能選擇對稱、均勻、規則的截面形狀。同時，在對建設材料的選擇上，也要考慮到材料自身的性質，譬如材料自重導致的結構荷載增加，優先選用比強度大的材料。（2）設計方案中結構受力應當均勻，要盡可能地避免結構外形突變等不利情況，以此來減小應力集中的影響。（3）明確結構各個部分的受力情況與傳力路徑，特別是節點處的設計應當尤為注意，必要時要進行加固處理。（4）充分發揮各種材料的優勢。對于結構中不同部位的構件，其往往有著不同的受力狀態，這就需要設計人員根據具體受力情況選取合適的材料類型，來最大化發揮材料性能。

5.2 橋梁過程設計中結構優化設計應用

5.2.1 完善混凝土結構設計

混凝土結構作為橋梁工程的主要組成部分，其工程性能對橋梁有著重大的影響。結構化設計，能夠優化混凝土結構組成，使其更加適應于使用需要，并抑制使用中病害的發生，具備更長的使用壽命。混凝土是一種復合材料，由水泥、砂石、外加劑等構成，結構化設計就是通過對各組分的配比、位置進行控制，以此來對結構受力開裂等問題進行控制，并且確定最優的配筋率、配筋位置、鋼筋種類，以此來減輕結構自重并改善抗裂性能。

5.2.2 改善防水結構設計

橋梁的防水結構設計應當從整體入手，在橋梁結構具備足夠強度、穩定性、耐久性的基礎之上，對橋面結構與材料進行優化，并采取適當的工程手段來改善橋梁面層的平整程度。橋梁防水材料、防水結構的選擇也應當與其他結構相適應，來簡化結構、節省材料消耗。為保證防水結構具有足夠的耐久性，設計時應當優先使用變形性能和力學性能優異的材料，并在合理的位置配備集水管、排水管等輔助防水設施，以便積水的及時排泄。特別地，在結構的連接處要做好防滲措施，以免雨水侵入導致結構受到腐蝕，影響其正常使用。

5.2.3 增強鋼筋保護設計

鋼筋作為混凝土結構中的重要組成部分，其耐腐蝕性較差，使用時需要做好防腐處理，特別對于修復難度較大的橋梁工程，需要在設計上做出相應的措施。在結構化設計時，應當對設計環境條件進行充分的勘測和考慮，對于腐蝕性環境、易腐材料等風險較高的情況要加設防護措施，譬如增加混凝土保護層厚度、涂抹隔離劑等，來防止材料的腐蝕，增加結構的耐久性。

5.2.4 優化防崩施工設計

結構化設計對于防崩施工設計的優化主要是在以下幾個方面：（1）對施工預拋高值進行有效的預估，減小后期因工程修整而帶來的成本投入和工期延誤。（2）對于橋梁的合攏段設計，應當嚴格控制影響其施工高度的因素，原則上其高差應在3 cm以內，以此保障工程質量。（3）對于橋梁結構附屬管道間的連接，要通過結構化設計進行優化，來防止連接點的崩脫，使其能夠正常發揮功能。

6 結語

目前，橋梁工程已然成為了一個與百姓出行、經濟生產緊密相連的領域，其設計方案的優化也得到了行業內越來越多的重視。實踐表明，結構化設計的引入對于橋梁工程的設計不僅有著性能、質量上的提升，也在一定程度上改善了建設項目的經濟效益與環保效益。合理、有效地利用結構化設計對于我國橋梁工程的發展有著重大意義，保障人們安全、高效的出行，也為橋梁建設提供更多的可能。

參考文獻：

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