仿生學技術在橋梁優化設計中的應用

張 鳳 貴

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司,山西 大同 037008)

0 引言

目前，省內公路建設迎來發展新時期，公路及橋梁工程建設更加注重可持續、耐久性、安全性及經濟適用性等要求；為了提升省內橋梁工程建設的質量和效率，引導學科之間融合是優化橋梁結構設計的新方向；在生物學基本理論影響下，仿生學和橋梁工程結構設計理論的融合已經成為當前橋梁工程設計及設計優化的重要方式之一。文章以省內高速公路橋梁工程設計及優化設計為研究對象，就橋梁工程仿生學優化設計進行深入研究，提出了相應的應用措施。

1 仿生設計方法在橋梁設計及優化中的應用分析

1.1 橋梁外觀仿生應用分析

為了拓展新的橋梁外觀和形式，將仿生技術應用在橋梁外觀設計中能夠最大程度拓展橋梁外形類型，提升橋梁外形的美觀程度。表1為仿生方法在橋梁工程中的應用分類情況。

表1 仿生方法在橋梁工程中的應用分類

橋梁結構設計的外形仿生設計是對外部自然形態的模仿過程；在具體設計階段，橋梁結構設計人員必須重視外部仿生過程中的不均勻沉降、開裂、自重荷載過大等多種外部病害表現。

1.2 橋梁結構設計及力學仿生技術

橋梁結構仿生設計主要依托于生物的靜力學及動力學基本特性，受到生物結構的啟發從而優化橋梁結構形式及設計方式，提升橋梁結構的穩定性、承載能力及剛度等力學指標。例如，大跨徑跨海大橋結構設計過程中，為了實現大跨徑，優化內部受力、傳力體系，可以參考大型哺乳動物的骨骼形式；此外，可以借助蜘蛛網的網格特點模擬蜘蛛網的防風及抗風特點，提升大跨徑跨海大橋的動力特點和穩定性，例如，以色列著名的耶路撒冷克茲大跨徑橋梁的上部承載結構就是依靠人體骨骼和骨架形式設計的。

1.3 基于建筑材料及組織結構的仿生

隨著工程技術的快速發展，材料科學及技術取得了快速發展和提升；目前，各種新型高性能、高強度、輕質、抗腐蝕能力強的建筑材料已經被廣泛應用在橋梁工程設計中。建筑材料仿生技術就是基于研究生物體內部化學及生物組成的基礎上，通過仿生方式制造出更加高效、實用、強度更高、韌性更強施工材料。譬如，橋梁工程設計中，混凝土材料是使用量最大，使用最普遍的材料之一；雖然混凝土材料是人工石材，但是，其原材料均來自于自然界，且混凝土材料最早受到自然界中植物根莖葉的生產及分布規律的啟發，明確了混凝土材料中不同組分的功能和特點。在后期的材料仿生研發實踐中，新的仿生材料快速推廣使用，在研究貝殼粉過程中，貝殼粉凝結后的標準抗拉強度值明顯超過素水泥的標準抗拉強度值；目前，橋梁結構設計人員為了繼續提升大跨徑橋梁的跨度和承載能力，著眼于高性能混凝土材料的研發，基于貝殼粉的仿生技術能夠顯著提升混凝土材料的抗拉壓及抗剪切性能。

1.4 橋梁結構設計優化仿生技術

橋梁結構仿生設計技術及理論應用不單單局限在外觀、結構設計及材料層面，在橋梁結構長期健康監測及橋梁設計優化方面也有不可替代的作用。在省內橋梁結構長期監測過程中，應變片的斷裂力學分析是鋼筋混凝土中裂縫監測仿生方面的重要內容；應變片的制作及生產機理就來自于對生物分泌粘液的仿生，粘液具備良好的變形特性和貼合能力，可以與被粘合物體實現協調、統一變形。為了保證應變片在長期監測環境下的完整性和可靠性，為了保證監測值的可靠程度，應保證應變片的極限抗拉變形應超過混凝土材料本身，在省內部分橋梁長期監測實踐中，應變片材料的極限抗拉應變值應控制在90 000 με以上，粘貼介質的極限抗拉應變值應控制在20 000 με以上。通過分析混凝土裂縫長期監測面臨的實際問題，裂縫出現將導致應變片脆性斷裂，斷裂屬于二維平面應變問題。式(1)為應變片剪應力計算公式：

(1)

其中，T為剪應力；r為開裂裂縫尖端距離；θ為裂紋開裂角度值；K1為裂紋應力強度因子值。

2 橋梁承重結構仿生設計案例分析

2.1 工程設計案例分析

在省內高速公路橋梁設計實踐中，大型門式橋墩被使用在大跨徑跨線橋中；作為一種常用的可靠性門型支撐墩，其安全性和可靠性均不可忽視。工程設計實踐說明，提升梁體實際高度是增加梁剛度的重要作用；若下部凈空受限，可以使用增大底板厚度的方式進行微調。本次設計以省內某高速公路橋梁支撐墩設計為研究案例，通過仿生技術，尋找仿生學原型，對門式橋墩進行加固。

2.2 橋梁承重構件仿生設計技術

生物界中，承壓桿件及受彎構件的仿生來源眾多，其中，豪豬的毛刺就是通過內部填充的方式提升毛刺的自身穩定性。科研人員已經借助試驗論證了豪豬的毛刺具備較高的抗壓能力。經過細部分析可知，毛刺內在原有的柱型結構體的基礎上，增加了橫向及縱向的加勁肋，在垂直于軸向截面荷載的作用下，毛刺結構和空心柱體的屈曲荷載一致，但是抗彎承載能力明顯增加，且內部呈蜂窩狀的核心組成形式和縱向及橫向的加勁肋能夠抵抗4倍以上的空心柱體壓強。此外，竹子內部的莖部分有超過1/2以上的軟組織及將近1/2的纖維組織。從力學性能上分析植物內部細胞中的軟組織細胞質主要起到荷載傳遞作用；另一種細胞主要起到荷載承受作用?？蒲腥藛T通過仿生學方式，開發出新的薄壁圓柱形承載墩，其承載能力較傳統的薄壁墩提升了25%以上，且破壞形式從局部屈曲破壞轉變為整體屈曲破壞。圖1為優化后的承壓柱截面形式。

2.3 橋梁承載結構優化設計

通過仿生技術，實現了對高速公路橋梁門式承載墩墩柱截面的優化設計及改造，截面形式選用夾心板結構，厚度外側壁厚較小，原有頂板形式從單層的32 mm厚度，轉變為20 mm及12 mm的夾心板厚度，夾層板鋼板寬度選用了原有的加勁肋寬度，并分成若干小箱室，在保證強度的基礎上，降低了結構自重。在墩柱蓋梁結構類型選取方面，復合式結構能夠很好地發揮復合材料的優勢，提升結構的剛度及強度。圖2為仿生優化后的夾心式截面。

3 結語

橋梁結構設計及優化可以借助仿生技術得以實現；隨著省內公路建設質量的提升，橋梁結構設計的可持續性、安全性、耐久性及可靠性受到設計人員的廣泛關注。將仿生技術加以引進和推廣使用，可以顯著提升和優化橋梁結構設計質量，最大程度延長橋梁結構服役壽命和年限，為省內橋梁結構設計工作拓展新發展方向。