淺析結構化設計在道路橋梁設計中的應用

陳 杰，崔 炫，來蘇群，申友波

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

1 結構化設計的模型構建

1.1 離散化結構設計

離散化結構設計指的主要是將道路橋梁的整體結構分成部分，也就是將結構的無限自由度轉為有限自由度。這樣的結構設計方法有利于對結構進行受力分析，能夠將設計施工簡便化。

1.2 模型化結構設計

模型化的結構設計的主要內容是對道路橋梁中的結構的內在規律進行受力原理的分析，這樣做的好處是將結構設計變得更加具體，有利于對結構的處理。

1.3 簡化的材料和荷載結構化設計

這種設計方法主要是使用簡單理想的材料模擬道路橋梁的機構化設計。這樣做的好處是簡化道路橋梁的結構化設計過程，使得設計施工能夠更加合理的展開。但要注意的是，這種設計方法是否符合實際情況，基本取決于計算模型的選擇，因此在選擇計算模型時，要慎之又慎。

2 結構化設計的常見計算方法

2.1 圖解法

圖解法的應用原理是分別將某兩個設計變量作為橫縱坐標，依據變量的影響情況作出坐標系中的圖形，根據變量的函數不等式得到兩種變量在坐標系內的約束區域，并作出目標函數的等值線，確定其切點，得出目標函數值。圖解法在道路橋梁的二維結構設計中應用比較普遍。

2.2 求解函數極值

函數極值的求解需要將結構化設計中的設計變量函數不等式變為等式，求解出變量的大小，進而求出函數的極值。

2.3 同態設計法

同態設計法仍然需要將函數不等式變為等式，其目的是縮小設計空間，使計算更容易進行。但要注意的是，同態設計法所得到的值是比不上原值的，但由于其將結構化設計的解法變得容易了，因此仍然得到了廣泛的應用。

2.4 網絡搜索的方法

網絡搜索是一種較為原始的方法，其優點是比較直觀，能夠找到道路橋梁結構化設計的最優解，缺點是計算較為麻煩，一般操作步驟是將所遇到的問題劃分成網格點，按照一定的規律從某個點開始，固定某個變量，逐步進行驗算，按照一定的順序進行搜索，直到找到最優解為止。

3 結構化設計的原則

3.1 截面形式選擇

在進行道路橋梁設計中，應根據道路橋梁的負荷，考慮其本身的承重能力，盡量選擇符合對其的性能要求的截面形式。由于道路橋梁使用的材料較多，容易增加其自重，因此，要選擇重量小、結構優良的截面形式，在進行材料設計時，可以將材料設計成空壁式，減少道路橋梁的壓力。

3.2 支撐力的協調

道路橋梁的設計一定要注意其支撐力，使其均勻分布，更好地支撐橋梁，以免造成材料的浪費。

3.3 結構連續性

道路橋梁是一個整體，因此在進行設計時必須要考慮到其結構的連續性，使道路橋梁的各個部分均勻受力，這樣，才能夠增加道路橋梁的整體結構的受力性，降低道路橋梁的建筑成本。

3.4 材料及結構的相互整合

道路橋梁的結構和材料對于其受力性和負載力都有十分重要的影響，因此，在進行道路橋梁的結構化設計時，要注意對將材料和結構相互整合，達到結構和材料的最優配置。受力較大的結構需要使用優質材料，受力較小的結構則使用質量合格的材料即可。

3.5 全面掌握各個部位特征

在進行道路橋梁的結構化設計時，要充分掌握道路橋梁的各個部分的特點，掌握各部分的結構所需發揮的作用，完善設計方案，對道路橋梁的各個結構進行充分的整合，作出結構設計的最佳選擇，減少工程施工量，提高橋梁的運作性能。

4 結構化設計在道路橋梁設計中的應用

4.1 在道路橋梁防水設計中的應用

道路橋梁的防水性能關系著道路橋梁的施工質量和使用壽命，若沒有做好道路橋梁的排水防水工作，就會使得道路橋梁路面上的積水無法排出，長此以往，雨水會侵蝕道路橋梁的內部結構，影響其正常運轉，嚴重時還會引發交通事故。在進行防水設計時，要加強對防水層的設計，選擇更加密實的復合纖維混凝土或使用與結晶材料混合的水泥，確保道路橋梁路面有較好的防水效果。此外，可以在混凝土施工中加入鋼筋網，防止混凝土開裂而使雨水進入其中。通常，防水層的結構設計需要達到以下標準:第一，確保混凝土與路面是一個整體，粘結性好，不出現起皮脫落的現象;第二，保證結構具備一定的抗拉強度與延展性;第三，做好科學合理的排水管道設計，將雨水積水對道路墻梁路面的破壞降到最低。

4.2 在道路橋梁混凝土施工中的應用

(1)增強鋼筋的混凝土保護層厚度

鋼筋混凝土是一種復合型材料，在道路橋梁的建設施工中應用十分普遍，為提高施工質量，加強對鋼筋混凝土的保護，在進行道路橋梁的設計時，要進行鋼筋混凝土的保護層設計，其主要作用是防止鋼筋混凝土的腐蝕，延長使用壽命，使其在使用中更加安全。提高對鋼筋混凝土的保護，可以加大對鋼筋混凝土的保護系數開始。

(2)符合混凝土耐久性的特點

混凝土的耐久性也直接關系到道路橋梁的施工質量和使用壽命，然而在當前混凝土的施工中，很多施工單位為追求利益最大化，在混凝土施工中容易出現偷工減料的情況，有時還會忽略道路橋梁的整體布局。因此，在進行結構化設計時，要確保混凝土的耐久性，做好混凝土的配比和拌合，保證施工質量，如表1 為結構混凝土耐久性的基本要求。

表1 結構混凝土耐久性的基本要求

(3)增強構造配筋

混凝土開裂是各種混凝土工程中的質量通病。在道路橋梁中，為防止混凝土開裂影響道路橋梁的使用狀況，可以增強構造配筋，提高混凝土結構的抗裂能力。因此，在進行結構化設計時，可以根據道路橋梁設計的實際情況，在一定程度上增強其構造配筋。

5 結 語

道路橋梁的結構化設計大大促進了橋梁道路設計方式的發展，使道路橋梁的結構設計水平得到了極大的提升。在進行結構化設計時，要對道路橋梁的實際情況進行充分的分析和了解，選擇最節省成本、結構承載力最強的方案。結構化設計給道路橋梁設計帶來了全新的設計理念，改變了道路橋梁的設計方式，為我國道路橋梁的發展提供了充足的保障。

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