結構優化設計在公路橋梁設計中的研究與應用

【摘 要】近幾年，我國公路橋梁建設速度加快，其結構設計發展的越來越成熟，與此同時，要想在快餐文化中設計更好的公路橋梁，需打破常規優化設計理念，將結構優化設計融入其中，在借助計算機技術的功能下，將優化設計理念充分融入到公路橋梁設計之中，進而使公路橋梁設計體現出“安全、美觀、經濟、適用”的基本特性。筆者在結合多年自身經驗后，對公路橋梁設計中的結構優化的發展現狀進行分析，并對其探討公路橋梁結構優化設計的方法，為同行之人提供理論參考。

【關鍵詞】結構優化設計；公路橋梁；設計

現如今，在我國社會經濟快速發展的同時，現代化交通網在促進國民經濟的同時，對公路橋梁的建設有所影響。在交通事業的發展中，各種江河、溝谷以及線路對道路的建設有所阻礙，需對其采取針對性講解措施，使其成為道路建設中的主要組成內容。[1]在20世紀，科學技術的進步讓人們對公路橋梁的建設有了新的認識，并提出新的要求，華夏大地中的各種立交橋、高架橋、海峽大橋等成為了地球上最為美麗的風景線。因此，在公路橋梁建設中，使其作為工程實體與空間藝術，是當前公路橋梁中的主要涉及理念。

一、現階段公路橋梁結構優化設計緩慢的原因

現如今，雖然結構優化設計在公路橋梁的建設中受到重視，但是其應用范圍比較狹窄。主要的原因不僅是工程師設計取費標準，還包括以下幾點：

（一）公路橋梁結構優化設計存在不確定性

現階段，公路橋梁結構優化設計存在不確定性，比如外部環境具備不確定性，結構本身具備不確定性，結構整體分析中模型簡化的誤差導致結構優化設計具備不確定性等。[2]因此，為從根本上對該類不確定因素進行考慮與分析，需加強對結構可靠理論的理解與認識。

（二）公路橋梁結構設計準則具備多重性

公路橋梁結構設計準則的多重性主要包括三個方面，分別是公路橋梁承載能力極限狀態設計、在正常使用中的極限狀態、與其它功能進行聯合使用時所體現出的極限狀態。[3]

（三）結構優化目標具備多樣性

從公路橋梁的整體角度而言，人們不僅要對其結構造價進行考慮，并且還要根據不同的功能下所產生的失效效率以及失效損傷所造成的損失期望、維修成本等一系列經濟指標進行分析。除此之外，目標函數本身的性質比較特殊、復雜，不僅要設計變量的顯式函數，并且還要對變量的隱式函數進行設計，將結構造價與結構損失期望進行緊密結合，改變結構優化中產生的單調性。

（四）結構設計變量具有離散性

在建筑施工的過程中，由于施工條件因素，橋梁工程結構中的設計變量過于離散，并且在受到非常大的約束條件下，所形成的實際公路橋梁工程中的設計變量受到施工因素的影響，所產生的數量比較少。

（五）約束條件的數目具有龐大性與復雜性

為了從根本上使結構優化設計能夠符合現在的公路橋梁要求，需對結構設計進行各種規范要求，其中，現行的規范對結構的構建、結構的類型產生相應的規定，并且涉及到結構設計的諸多方面，所形成的性質差距比較大，無論是從尺寸約束還是到剛強約束，無論是從構建單元約束還是到結構體系約束，都會在正常的極限狀態下形成最終極限狀態。

因此，要想從根本上使公路橋梁能夠在規范條件下進行結構優化設計，則需要營養科學、合格的優化方式，對實際公路橋梁工程的優化模型進行簡化，使簡化后的模型與實際情況差距減小，進而適用于實際公路橋梁工程之中。

二、基于可靠度的橋梁結構優化設計研究

在科學的可持續發展中，結構設計的要求逐漸提高，其中，基于可靠度的橋梁結構優化設計在順應這一發展趨勢的情況下，逐漸成為結構工程學中最具影響性的熱點話題。

（一）基于可靠度的公路橋梁優化設計

基于可靠度的優化模式最早是有Forsell所提出的，Forsell將公路橋梁建設中的總耗費作為主要的優化目標，并將可靠性與優化之間的關系進行分析與研究，進而提出了結構失效概率在優化過程中所體現的均衡性與合理性，并且認為真正的優化設計需要在各種負荷作用的性能下進行。[4]

橋梁結構的服役期是比較長的，如果不對其進行維修，其功能會得到減弱，因此對其采取有效的維修方式是非常重要的。另外，橋梁結構設計的可靠度如果越高，那么橋跨建設的初始成本會得到提高，橋梁結構的維修加固費用則會建設。見圖1。因此，設置優化設計的可靠度，能夠從根本上減少橋梁結構服役中總耗費。

（二）結構優化的模型設計

基于可靠度的公路橋梁結構優化模型能夠對結構的可靠度進行優化，在對其設計中需要將結構優化的設計方法進行轉化。

1、結構可靠度的最優分配

在不受到其它因素的影響下，積極尋求結構可靠度的最優分配需要求解以下公式：求Psi i=1，2，？，K min W=C+L

其中，W是目標函數，C是工程造價，L則是結構的損失期望，K是構件的數量。[5]

在上述模型中，能夠對不同結構的不同情況進行分析與研究，其中，C與L之間的表達形式不同，所以需尋求最佳表達方式。另外，在結構可靠度的分配模式中，需采用目標函數，W=C+L，使其作為轉化的基礎，將問題進行簡化處理。在整個數學求解的規則中，Psi i=1，2，？，K能夠將最優可靠度進行決策，并且從近期效益出發，將投資條件進行整合，使其作為安全指標與經濟指標。

2、結構優化在公路橋梁設計中的方向

在對基于可靠度橋梁結構優化設計研究中，需要對以下問題進行研究：

（1）要根據公路橋梁的結構特點，制定符合的優化模型。

（2）要對橋梁結構中的各個構件的邏輯關系進行研究。其中，在結構優化的理論之中，串聯系統是運用比較廣泛的，因此，將公路橋梁的結構劃分為相應的串聯單位，能夠將問題進行簡化。

（3）要對構件失效模式與失效之間的相關性問題進行研究。在可靠性計算之中，其結構優化是極其重要的組成部分，因此，為從根本上對各個構件之間的相關性與失效模式進行合理考慮是極其重要的。否則會產生一定的誤差。

（4）對公路橋梁結構中的控制作用所產生的失效模式進行研究，將主要矛盾進行了解，對問題進行簡化處理。

（5）對橋梁結構造價以及可靠度之間的函數關系進行研究，對其結構失效損失值的估計方法進行了解。

三、結構優化設計在公路橋梁中的應用原則

（一）如果力的傳遞路線比較直接，那么結構的重量就會變輕。

（二）要選擇比較合適的截面形式與剛度配置，促使內力與位移之間的分布合理，結構的重量則會更輕。[6]

（三）對各種材料進行組合，并與結構的受力特征與幾何特征進行結合，將不同材料的優良性能進行充分發揮，知識結構重量變輕。

（四）積極發揮出受力構件的潛能，在根據所提方案中的要求，對結構的設計情況進行規范，并且在對結構進行總體設計的時候，要充分發揮出受力構件在設計情況中的影響，從根本上節省材料。

參考文獻：

[1]詹森，楊彥軍. 大跨度橋梁結構優化設計綜述[J]. 山西建筑，2009，07：348- 349.

[2]王海蛟. 基于可靠度理論下的公路橋梁結構設計[J]. 中國新技術新產品，2011，02：124.

[3]涂西軍. 公路橋梁工程設計中結構可靠度理論的應用[J]. 交通世界（建養.機械），2013，06：295- 296.

[4]包善發，陳偉平. 城市橋梁與公路橋梁設計荷載標準對比與思考[J]. 中國水運（下半月），2013，08：241- 242+311.

[5]張輝，王春曉，李聞濤. 公路橋梁設計的安全性和耐久性研究[J]. 交通企業管理，2014，01：51- 52.

[6]楊敏波. 市政公路橋梁設計中的安全性和耐久設計探討[J].科技創新與應用，2012，21：185.

個人簡介：

姓名：郭春蘭，性別：女，籍貫：江西吉安，出生年月：1983年2月，

單位：江西省交通規劃勘察設計院，學歷：本科，職務，工程技術人員

研究方向：公路與橋梁設計、咨詢