道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的應(yīng)用研究

黃仁杰

（廣西藝國規(guī)劃設(shè)計有限公司 廣西南寧 530000）

道路橋梁工程設(shè)計過程中，除了要對道路橋梁各項性能與結(jié)構(gòu)安全給予高度重視，還需要充分考慮目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和投入，以實際需要為依據(jù)設(shè)計出科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式。以往的設(shè)計工作采用的是定值法，該方法在很多方面都會受到限制和影響，無法滿足道路橋梁建設(shè)與發(fā)展要求。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的應(yīng)用能很好的解決這一問題，提高道路橋梁設(shè)計技術(shù)水平。

1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法在道路橋梁設(shè)計工作中的應(yīng)用可行性

對結(jié)構(gòu)化設(shè)計而言，其在道路橋梁設(shè)計工作中的應(yīng)用，目的在于保證設(shè)計方案可行性，對多種不同的設(shè)計方案進(jìn)行整合，從中選擇最佳方案，結(jié)構(gòu)化設(shè)計的思維如圖1所示。實際的道路橋梁設(shè)計工作中，實行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，主要是為了解決以下兩個問題：①充分考慮道路橋梁整體質(zhì)量，在一定的時期之內(nèi)，道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計都必須滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②道路橋梁正常服役過程中，需正確且有效的應(yīng)對不同安全問題及質(zhì)量問題，同時保證道路橋梁能夠正常使用。具體設(shè)計過程中，怎樣保證設(shè)計方案的合理性與可行性，需要從構(gòu)件荷載與承載力等方面實施有效改善，在設(shè)計過程中需要滿足以這些內(nèi)容的要求為前提開展結(jié)構(gòu)化設(shè)計，同時這也是設(shè)計工作主要內(nèi)容之一，這兩項性能得到提高除了能保證設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還可以改善道路橋梁性能。另外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，需對方案進(jìn)行深入分析，根據(jù)道路橋梁的施工條件和環(huán)境，對其安全系數(shù)進(jìn)行推斷，并在模擬技術(shù)的支持下對安全系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測定，進(jìn)而充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)化設(shè)計作用，實現(xiàn)提高安全性的根本目標(biāo)。

圖1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計思維

2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁設(shè)計工作中的應(yīng)用原則和模型建立

2.1 應(yīng)用原則

設(shè)計工作中，對結(jié)構(gòu)化設(shè)計而言，需要遵循盡可能降低結(jié)構(gòu)自重，同時確保材料剛度相互配比應(yīng)能達(dá)到截面要求等基本原則，而且從設(shè)計的角度講，除了要保證設(shè)計合理可行，還應(yīng)確保施工能夠順利完成，保證道路橋梁整體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少材料的實際使用，堅持從整體結(jié)構(gòu)布局的角度出發(fā)，把所有材料和設(shè)備實際使用都發(fā)揮至道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，既能對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，還能減少材料實際消耗，降低成本，加快效率。除此之外，通過對結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的合理應(yīng)用，能達(dá)到長期安全運營的要求，延長道路橋梁壽命。然而，該方法實際應(yīng)用還應(yīng)深入至所有細(xì)節(jié)和組成部分，以此發(fā)揮方法的作用和效果。

2.2 模型建立

2.2.1 離散化結(jié)構(gòu)

該模型的構(gòu)建是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計工作時，將完整的設(shè)計過程劃分為若干組成部分，經(jīng)過這樣的處理，能得到全新模型，在實際的受力分析過程中，可針對某個特殊的部分實施科學(xué)的測試及分析，該方法的利用能在提高效率的同時簡化設(shè)計，所以在當(dāng)前的道路橋梁設(shè)計工作中得到十分廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 材料和荷載有效簡化

結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中，通常會對道路橋梁材料彈性與可塑性予以假設(shè)，同時需要根據(jù)有限參數(shù)對處在無線自由度條件下的荷載實施模擬。通常所選有限參數(shù)存在概率性特點，通過解析獲得的參數(shù)同樣具有可行性。從結(jié)構(gòu)化設(shè)計角度講，它能對材料和荷載進(jìn)行簡化，以此在開工前實施設(shè)計優(yōu)化。若想保證設(shè)計方案與道路橋梁具體狀況保持適應(yīng)與匹配，需在建立模型的過程中保持慎重，通過模型對道路橋梁實際受力進(jìn)行真實反映。

概要設(shè)計任務(wù)在于以下幾個方面：對軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，劃分相應(yīng)的功能模塊，明確模塊之間的相互關(guān)系，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，編寫相應(yīng)的概要設(shè)計檔案，對概要設(shè)計檔案進(jìn)行評審，確定方案是否可行，在設(shè)計中需要用到結(jié)構(gòu)圖，它能反映出模塊間保持的聯(lián)系，即系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。在概要設(shè)計完成后需進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，其目的在于為結(jié)構(gòu)圖所有模塊確定相應(yīng)的算法，對于模塊當(dāng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要用特定工具進(jìn)行表達(dá)與描述。

3 基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的道路橋梁設(shè)計計算和實例分析

3.1 可用于結(jié)構(gòu)化設(shè)計工作的常用計算方法

可在結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中常用的計算方法主要有以下四種：①網(wǎng)絡(luò)搜索法；②圖解法；③極限值法；④同臺設(shè)計法，不同的方法有不同的計算方式。其中，圖解法在不同類型二維結(jié)構(gòu)針對性設(shè)計與計算中較為常用，能將設(shè)計變量視為橫向坐標(biāo)或縱向坐標(biāo)，再按照制約因素繪制相應(yīng)的曲線表，根據(jù)這一曲線表獲取變量之間的約束區(qū)域，確定該函數(shù)區(qū)域?qū)?yīng)的等值線，再與結(jié)構(gòu)化設(shè)計對應(yīng)的可行范圍保持相切，其中，切點就是可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，或選定最佳設(shè)計方案的標(biāo)準(zhǔn)值。對于極限值法，是將約束條件對應(yīng)的不等式轉(zhuǎn)化成等式，然后去除存在的變量，到僅剩單一的變量為止，再以該變量為依據(jù)求取函數(shù)極限值，即最大值和最小值，這樣能為實際的結(jié)構(gòu)化設(shè)計工作提供可靠參考。對于同臺設(shè)計法，指的是將約束當(dāng)中的等式轉(zhuǎn)換成不等式，通過對方案可行性的適當(dāng)降低來獲取相應(yīng)的數(shù)值，這一計算方法獲得的結(jié)果始終存在一定缺陷，嚴(yán)重時還會無法計算出結(jié)果。然而，在一定程度上，這一計算方法能對復(fù)雜的計算過程進(jìn)行簡化，要根據(jù)設(shè)計的實際情況合理應(yīng)用，以此發(fā)揮應(yīng)有的作用和效果。對于網(wǎng)絡(luò)搜索法，是指將設(shè)計過程中需要分析考慮的所有問題在某個區(qū)域中進(jìn)行分割，形成若干網(wǎng)格點，不同網(wǎng)格點表達(dá)出不同的方案，以網(wǎng)格圖規(guī)律為依據(jù)逐步探索，最后得到能夠滿足要求的最佳網(wǎng)格點。在對該方法進(jìn)行應(yīng)用前，應(yīng)確定一個變量，再將其作為中心驗算其它的變量，最終從全部有效解當(dāng)中確定能滿足方案要求的解。

3.2 實例分析

以某道路橋梁工程為例，對其結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法具體應(yīng)用進(jìn)行分析介紹。該道路橋梁工程橋頭搭板設(shè)計工作中，在對橋頭處所設(shè)搭板實際長度、寬度與厚度實施有效控制的基礎(chǔ)上，通過對結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法對應(yīng)各項計算方法的合理應(yīng)用。根據(jù)分析和計算所得到的結(jié)果，并對道路橋梁結(jié)構(gòu)埋入深度實施準(zhǔn)確計算，在進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的調(diào)整之后，實現(xiàn)對搭板設(shè)計的有效優(yōu)化。

伴隨目前科技的不斷變化和快速發(fā)展，很多類型的計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都快速用于不同行業(yè)當(dāng)中，道路橋梁工程設(shè)計，尤其是結(jié)構(gòu)化設(shè)計，也引入了這些先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)橋梁實際情況，開展科學(xué)化的動態(tài)模擬與專項實驗，以此從眾多的方案當(dāng)中選出和工程情況聯(lián)系最為緊密的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計工作時，除了要保證道路橋梁工程綜合質(zhì)量，還要對各類結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的影響進(jìn)行綜合分析，在這一情況下，通過對新技術(shù)的合理應(yīng)用，能通過準(zhǔn)確的計算得出道路橋梁設(shè)計和計算結(jié)果存在的差別。除此之外，還可以推斷所有對工程質(zhì)量有直接影響的所有不利因素，再經(jīng)過深入且具體的分析，找到合理可行的解決方法，以此在后續(xù)道路橋梁施工以及使用運營過程中避免產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，保證工程整體效益。

4 結(jié)束語

伴隨道路橋梁設(shè)施在社會生產(chǎn)與生活過程中占據(jù)地位的不斷提高，道路橋梁工程設(shè)計及優(yōu)化正不斷成為具體施工過程中必須重視的問題。為滿足設(shè)計與優(yōu)化要求，必須引入結(jié)構(gòu)化設(shè)計的思想與具體方法，這可以在保證道路橋梁施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，加快施工效率，使道路橋梁施工任務(wù)順利完成。無論是理論分析還是實踐都表明，這一設(shè)計方法有重要作用和現(xiàn)實意義。

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