道路橋梁設計中結構化設計的應用研究

徐仕均

摘 要 經濟發展與道路橋梁規模息息相關，經濟水平的不斷提高對道路橋梁建設質量有了更高的要求。以往的道路橋梁設計方法存在一定的局限性，無法滿足結構趨于復雜的設計要求，工程建設的總體質量便不能夠得到良好的保證。本文基于目前道路橋梁的結構設計現狀，深入剖析了結構化設計在道路橋梁工程應用的必要性及其應用要點，并且對結構化設計在工程中的具體應用進行了說明。

關鍵詞 道路橋梁 結構化設計 計算方法 計算模型

中圖分類號：U421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0100-03

道路橋梁是龐大交通網絡重要的組成部分之一，是實現我國經濟迅速發展的強大助力，對改善人們出行和貨物運輸有著重大意義。在道路橋梁工程應用結構化設計能夠很好地優化設計方案，解決工程結構復雜的設計難題，保證工程施工順利進行，從而大幅度提升道路橋梁的使用壽命。因此，工程人員應當提高結構化設計的重視程度，加強施工前期的結構化設計工作，切實完善工程設計方案，為工程高質量建設打好基礎，從而更好地便利人們出行。

1 道路橋梁結構化設計的必要性

結構化設計即在道路橋梁工程開展的前期準備工作中，為優化工程設計方案，并在保證工程質量的基礎上不斷完善方案設計的各關鍵點，以達到工程順利推進以及提高道路橋梁工程可靠性的目的，是道路橋梁工程中不可忽視的一環[1]。

1.1 提高施工方案的可行性

施工進展的順利與否同施工方案是否具有可行性有著直接的聯系，為了提高施工效率以便于按期完成工程進度，必須要確保施工方案具有很高的可行性。結構化設計明確規定工作人員需要因地制宜，依據工程建設標準及要求并且結合施工現場環境深入分析不利于施工的風險點，采用合理的方案設計科學規避，從而有利于提高施工方案的可行性，避免返工造成工程延期的現象。

1.2 符合設計的發展方向

經濟及技術水平飛躍式的發展使得人們對于道路橋梁的承載能力及功能性有著越來越高的要求，工程結構設計的難度逐漸增加，傳統的設計方案及理念漸漸同科技蓬勃發展的時代脫軌，不能很好地滿足工程建設需求[2-3]。而結構化設計融合了BIM技術、物聯網以及云平臺等新興科學技術，能夠有效解決因功能需求增加而造成結構復雜、設計困難的問題，能夠滿足基礎建設規模的縱深推進，在一定程度上是未來工程設計的發展方向。

2 道路橋梁結構化設計的應用要點

2.1 科學性

道路橋梁質量關系著人們生命財產安全，因此在進行工程的結構化設計時首先要確保設計具備科學性，應當依據道路橋梁承載力和其他設計要求合理設定混凝土鋪設厚度、橋梁截面尺寸以及橋梁總體質量等等，盡可能地針對結構進行優化，確保設計方案滿足科學性。

2.2 實用性

部分設計人員有時太過于重視橋梁工程的外觀而忽略了橋梁的設計規范及相關標準，埋下了不小的安全隱患。因此，在設計時要著重注意實用性原則，采用簡便的方案實現載荷傳遞，在不超出最大應力的前提下，對整體結構進行優化調整，減輕橋梁質量，確保工程的安全性能符合要求。在滿足實用性的基礎之上可以追求美觀性，但也要綜合考慮項目資金，盡量減少生產成本。

2.3 整體性

在進行結構化設計時，盡管是針對各個施工環節進行優化完善，但設計人員也應當結合項目整體考慮，加強各環節設計之間的聯系，從而在提高工程整體質量同時還可以實現成本節約。比如，道路橋梁工程的防水性能一般同混凝土材料以及表面平整度相關，在進行設計時將混凝土設計及防水設計相結合，既能夠保證良好的防水性能，還可以實現混凝土成本降低的目的。

2.4 可靠性

道路橋梁工程的可靠性主要與結構設計和材料質量兩者相關，對后續能否正常使用有著至關重要的影響。一方面，在結構設計時要確保載荷傳遞平穩，并且要充分考慮風力、雨水腐蝕等因素對承載能力的影響。另一方面，在進行采購作業時要選取質量達標的材料，水泥的強度及硬度均要符合要求，避免出現因價格低廉而選用質量較差的材料的情況。

3 道路橋梁結構化設計的具體應用

3.1 在防水設計中的應用

外部環境中積水容易導致材質腐蝕，導致道路橋梁的功能性喪失，具有不小的安全隱患，因此，良好的防水性能是提高工程可靠性的有效途徑之一。設計人員在進行防水設計時首先要保證施工路面的平整度處在標準范圍內，達到良好的混凝土貼合地面效果，其次在施工作業時要選取良好的施工材料及合理的施工技術，避免混凝土開裂、收縮等現象的出現，最后建設完善的排水系統，及時排除路面雨水和雪水，以減少因腐蝕而造成的安全隱患。隨著新工藝、新材料的不斷更新迭代，設計人員可以把防水性能好的新材料鋪設于混凝土表面，依據新工藝在表面形成堅固的防水層，從而提高工程建設質量。

第一，利用結構設計增強排水能力。道路橋梁工程在防水設計方面要將排水設施作為最主要的預防性結構，良好的排水設計能夠迅速減少路橋工程上的積水，避免其對主體結構造成腐蝕或者其他類型的損壞。在結構設計中要將橋面上的泄水孔、橫坡以及縱坡等作為重點內容，在垂直方向利用泄水孔和泄水管的配合來達到快速的排水。橫坡及縱坡用于使橋面積水在重力作用下匯集到泄水孔的位置。道路工程主要利用設置在兩側的排水溝來實現路面排水，在設計道路工程結構時要重視排水坡度。

第二，利用結構設計增強防水能力。道路橋梁工程的防水功能還依賴于其防水層的設計，在工程實踐中可利用高摻量改性瀝青、聚氨酯防水涂料、防水卷材等實現防水層的設計和施工。高摻量改性瀝青的粘結性能優秀，對混凝土結構或者水泥結構的粘結效果突出，并且其成本和防水性都能滿足工程建設需求，在路橋工程中應用廣泛。聚氨酯防水層雖然也具有良好的粘結效果和防水效果，但是在具體應用時會因為混凝土材料碾壓而受損，破壞其防水效果，使用時要充分評估這一風險因素。另一種比較適宜的防水設計方案是在基層鋪設防水卷材，這種材料具有良好的抗刺破性能和抗拉性能，在路橋施工或者后期的運行過程中都能形成良好的適應性。因此，在選擇路橋工程的防水層設計方案時要綜合考慮可靠性、施工成本以及防水效果三個因素。

3.2 在混凝土設計中的應用

混凝土作為道路橋梁工程的建筑材料對工程質量有著決定性的影響，因此需要充分驗證混凝土的材料設計。一方面，混凝土由水泥、砂石以及膨脹劑等多種原材料經嚴格配比制作而成，因此在進行設計時要依據工程的設計需求，合理調配混凝土原料混合的比例，確保滿足使用需求。另一方面，混凝土通常搭配鋼筋使用，設計時需要結合道路橋梁荷載分布，合理設置鋼筋數量及分布間距，通過合理增加混凝土質量以及鋼筋科學預埋增強道路橋梁承載能力，提升工程質量。從結構化設計的角度看，道路橋梁的樁基、墩臺、箱梁等大體積混凝土結構是設計的重點，這些結構經過優化設計之后要實現承載力、抗凍性、抗裂性等多方面的性能指標。例如，橋梁結構的箱梁在長期使用過程中受到載荷作用，如果采用常規的平直結構，梁體的兩個端頭分別搭載在橋墩上，載荷作用于其中部位置時會產生較大的力矩作用，這樣容易導致其產生結構裂縫。工程實踐中主要采用預應力箱梁的設計方案來抵消這種力矩作用，也就是在澆筑混凝土之前預先埋設紋波管、預應力筋，然后采用先張法或者后張法張拉預應力筋，進而使混凝土箱梁結構形成向上的拱度，由于箱梁是對稱結構，拱度的最高點恰好位于箱梁的中部，而產生最大力矩的作用點也是這一位置，這便是預應力箱梁混凝土結構提升公路橋梁承載力的原理。

3.3 在防震設計中的應用

為了保證地震來臨時道路橋梁的穩定性，在進行結構化設計時需要加強工程防震能力的提升。例如，合理設定橋梁高度，過高則容易引起不穩，因此在滿足使用要求的前提之下，應當盡量降低橋梁高度;在進行工程基礎施工階段，應當在鋼筋焊接部位額外加焊支架，用來加強固定從而提升整體的穩定性;在材料采購時，要嚴選嚴控質量，并在進入施工現場前要加強材質抽檢工作，打牢工程高質量建設的材料基礎等等。

3.4 樁基設計

以路橋基礎設計為例，當施工區域的地質條件不佳，如存在膨脹土或者軟土地質時，為了預防其基礎結構在后期的使用過程中出現顯著的沉降，工程上通常采用樁基設計方案，常用的樁基類型包括鉆孔灌注樁、預制鋼筋混凝土打入樁等。在設計樁基礎結構時要綜合考慮其承載能力、抗震烈度以及環境耐受力等因素。第一，確定最佳的混凝土強度等級。樁基的截面積及其在投用之后的最大載荷需求等決定了混凝土強度等級，具體采用哪一種強度等級，要經過嚴格的工程學計算，以具體的數據來說明問題，單樁承載能力是通過類似的方式來計算出來的。第二，抗震烈度設計。樁基礎不同于一般的路橋結構，一旦樁基礎因為抗震的作用而產生開裂或者破損，最終會嚴重威脅到上層構筑物的安全性。在設計樁基礎時要根據當地的抗震烈度要求來確定這一關鍵參數。

3.5 橋墩設計

橋墩是橋梁工程中非常關鍵的一個結構，相鄰的兩孔橋跨搭載在橋墩上，因而橋墩是路橋工程上層構筑物的力學承載結構，由于其高度和截面積較大，在側方向上還承載著一定的風力作用。其在結構上主要分為三個組成部分，分別為承臺、墩身以及最上層的臺帽。在橋墩的結構設計中首選要考慮到其整體的承載力是否滿足要求，通過計算確定出承臺的寬度、高度以及混凝土澆筑的厚度。另外，橋梁結構在設計的過程中除了要滿足工程力學方面的要求外，還應該重視其視覺上的協調性和美觀性，例如，可將部分蓋梁高度隱藏到梁體內部。橋墩位于橋面的底部，在設計時要考慮到車輛通行的需求，因而其寬度、高度以及間距等都是設計重點。

4 結構化設計在道路橋梁設計中的計算方法

4.1 圖解法

該計算方法是把任何兩個設計變量作為橫縱對比標準，然后聯合變量的具體數據參數來制作坐標系內的圖形。此時所說的結合變量是變量含水不等式，從而可以得到坐標系內兩種變量約束的區域，從而就能直接繪制出目標含水等值線。這樣操作之下，就能夠確定其切點，然后明確目標函數參數值。這一計算方式被廣泛應用，主要是在道路橋梁二維設計環節應用較多。

4.2 求解函數極值法

極值法在應用時，需要將結構內的設計變量函數不等式作為等式使用，就可以獲得變量參數值，從而得到函數的機制。

4.3 同態設計法

和極值法是相似的，這一方法的應用要把不等式作為等式使用，可以減小設計空間，從而提升設計計算的總體水平。分析后發現，雖然該方式計算后得到的參數值和原值對比，并不能簡化計算方法，能夠得到完善的數據，所以被廣泛應用。

4.4 網絡搜索方法

這是一種非常原始的方法，其直觀性非常好，能夠快速的確定道路橋梁結構化設計方案，從而實現最優化解釋。但是在具體應用中，卻有較高的復雜性。在實際操作中，需要將存在的設計問題實現網絡化轉變，根據特有的定律實現某個變量的固定。但是要注意，驗算方法應用中，還要按照規定的順序進行，以獲取最優解釋。

5 道路橋梁結構化設計中常見的計算模型分析

5.1 基于簡化材料、荷載結構的計算模型

道路橋梁設計時要從簡化材料、荷載結構計算模型等方面出發進行，工作人員通過有限參數模擬無限可能性，同時需要假設設計材料具備理想的塑性、彈性等特點。結構化的材料要保證荷載能夠模擬計算分析，讓該操作變得更加的簡單，且符合設計工程建設和施工的需要，設計人員還應該在模型選擇前進行必要的分析與研究，尤其是對于橋梁結構的受力數據收集與分析，展開全面的調查分析，掌握現場的各項技術參數，制定出切實可行的計算模型，對于提升道路橋梁設計水平有著重要的幫助。

5.2 基于離散化結構的計算模型

道路橋梁的設計環節，選擇應用結構化的設計理念和思路，把整個結構部分調整為有限的結構部分，然后對于該道路橋梁項目實現離散化的劃分養護設計，以更好的減小各個結構受力條件分析的難度，從而制定出切實可行的道路橋梁設計方案，滿足現場施工要求。

5.3 基于模型化結構的計算模型

道路橋梁設計中，力學原理應用的較多，為了提高道路橋梁設計水平，達到科學性、合理性的要求，設計人員應該綜合分析橋梁結構內部的變化規律，將設計思路轉化為設計模型，這種模型處理的方式就會讓設計變得更加的科學合理，施工難度大幅下降，對于提高道路橋梁的質量水平有重要作用。

6 結語

總而言之，道路橋梁作為基礎建設的重要組成部分，其工程質量的高低逐漸受到社會的關注，與人們的美好生活密不可分。結構化設計是提升道路橋梁工程質量的有效手段，能夠大幅度地提升工程可靠性。因此，相關設計人員需要依據自身的工程實際，切實完善結構化設計細節，促進道路橋梁工程更加的科學合理，為人們的安全便利出行打好基礎。

參考文獻：

[1] 朱小萍，姜洋.結構化設計在公路橋梁設計中的應用分析[J].交通世界，2021（19）：138-139.

[2] 魏文財.試論結構化設計在道路橋梁設計中的應用[J].四川水泥，2021（01）：240-241.

[3] 尹常青.結構化設計在路橋設計中的應用未探[J].工程建設與設計，2021（11）：82-83.