結構化設計在道路橋梁設計中的應用研究

文/胡君勝 安徽國順交通咨詢設計研究院有限公司 安徽合肥 230000

結構化設計是一種具有高連續性特征的設計方法，可以根據整個工程的荷載、工程整體結構來分析工程各部位的受力范圍、壓力數值等，之后針對分析結果對工程每個結構進行設計。該方法的應用在現代道路設計中十分常見，可以對原有設計結構進行優化，降低整體工程的成本總量、提高工程安全水平，因此，結構化設計的應用價值較高。

1、道路設計中結構化設計步驟

1.1 模型建設

在結構化設計應用當中，模型構建是基礎工作。通過建模可以得到道路整體或某部位的模型，模型可以計算得出當前工程載荷因素表現，對于表現不佳的部位進行優化即可。關于模型建設工作，主要分為3個步驟，即離散化設計、模型化設計、模型簡化設計，具體內容見下文。

1.1.1 離散化設計

離散化設計主要針對道路整體結構，通過細化方法將其變為多個離散結構，再從數學視角上將其原有的無限自由度調整為有限自由度，在此前提下，設計人員可以根據載荷數據，判斷每個結構承受載荷是否會導致結構變化是否會超出有限自由度界限，如果超出，則說明結構質量不佳，相應對其進行初步調整，使結構在理論上達到合理水平。

1.1.2 模型化設計

在離散化設計初步調整之后，需要進行模型化設計，因為離散化調整只能實現理論合理化設計，這種設計結構在實際條件下，可能會存在內部矛盾現象，說明其還存在優化空間，那么通過模型化設計則可以繼續對其進行優化。在模型化設計當中，主要從力學表現方面著手，結合實際條件分析道路工程內在的受力規律，同時了解其中是否存在矛盾點，例如道路工程中，某個結構本身載荷能力良好，但其設計位置導致受力方向偏移，無法完全發揮載荷，就有必要進行調整。

1.1.3 模型簡化設計

在模型化設計完成之后，道路結構化模型建設工作基本完成，但近年來，隨著道路工程的發展，工程體積逐漸增大，導致模型化設計得出的模型十分復雜，如果直接應用會導致施工效率緩慢，因此需要將其簡化應用。在模型簡化當中，主要從載荷表現以及材料用量方面著手，根據實際需求來排除模型中不必要的部分，例如模型中某結構部位存在過多的彎曲，那么減少其中不必要的彎曲，可以使模型簡化，同時降低實際建設的材料用量[1]。

1.2 模型計算

在得到相應模型之后，需要對模型進行計算，那么在計算方法上，為了確保模型與實際環境相符，要重點選擇計算方法，對此下文將分析兩種常見模型計算方法，即圖解法、求解函數極值法。

1.2.1 圖解法

將模型中任意兩個設計變量設定為橫、縱坐標，此時根據變量與周邊因素的影響關系，可以得到相應的圖像，此時通過變量函數不等式，來計算坐標中兩個變量的約束范圍，并畫出目標函數的等值線，最終即可得到目標函數值，根據目標函數值可以確認模型與實際條件的差異。圖解法在現代結構化設計當中應用的較為普遍，但其過程較為復雜，需要操作人員具有較高專業水平才能實現。

1.2.2 求解函數極值法

將結構化設計中存在得變量函數不等式轉化為等式，此時可以實現設計空間縮小要求，此時根據計算后的設計空間界限，可以區分得到每個變量的大小。該方法在應用流程上較為簡單，但無法與原值直接比較，所以直觀性較弱。

2、不同道路中結構化設計的應用

2.1 防水結構設計

道路工程體積龐大，所以其面臨的環境十分復雜，會面臨各種設計與施工問題，例如雨水或其他水源造成的積水，此現象會帶來水體侵蝕問題，對工程質量有著重大的負面影響，為了確保工程質量，避免水體對工程造成影響，有必要在設計工作當中進行防水設計，而因為防水設計與道路主體連為一體，所以設計結果被視為工程結構之一，可以采用結構化設計來開展相應工作。在防水結構設計當中，其工作目的主要在于排水，即將工程主體的積水排除，以避免水體侵蝕，具體措施上，重點針對工程路面、路基兩個易出現積水的部位進行設計，其中路面設計時，可以設計排水孔，并對路面傾斜度進行調整，此項設計可以利用水體自流效應來實現排水；在路基設計方面，可以設計鋼筋網結構，通過鋼筋網結構，可以有效避免路基裂縫，避免其內部受到水體影響，對于整體工程質量有巨大幫助[2]。

此外在防水結構設計方面，還要重視相應的標準，即任何形式的設計都必須保障結構的整體性，以免出現裂縫或力學性能不佳的現象；結構擴展性與抗拉強度必須滿足載荷要求，且介于道路工程的功能，其載荷要求是動態性的，所以計算出動態載荷范圍后再進行設計；排水孔以及管道的設計規劃要合理，應當同時兼顧交通需求以及排水需求。

2.2 鋼筋結構設計

鋼筋是道路框架建設的主要材料，其對于工程質量的影響很大。在鋼筋設計當中，要重視鋼筋結構整體穩定性、保護層厚度，在鋼架結構整體穩定性方面，主要針對整體結構的節點，檢查其是否達到了平衡狀態，如不平衡則需要進行調整，同時檢查調整后是否存在新的問題；針對保護層厚度方面，主要根據載荷要求、外界因素影響來設定。此外，關于鋼筋保護層設計方面，還要重視結構配筋問題，因為當配筋出現不良表現，很可能造成保護層開裂，對此應當依照實際需求對配筋結構進行控制，在上述設計要求均被滿足的前提下，可以對道路工程整體質量起到保障作用。

2.3 混凝土結構設計

混凝土同樣是道路框架建設的主要材料，所以有必要進行結構化設計工作。在混凝土設計方面，主要需考慮混凝土強度、用量以及性能問題，在設計當中，首先對混凝土配比進行設計，控制水泥強度等級、水灰比參數等，同時針對減水劑等輔助原料，要重視其用量控制，其次需要對混凝土的性能進行控制，即確認混凝土耐久性、穩定性等，如果不滿足則需要調整，最終依照鋼筋結構設計框架以及保護層厚度需求來設計混凝土結構，此舉可保障混凝土與鋼筋結構相符合，降低裂縫等不良影響的發生概率。

2.4 主梁結構設計

主梁是道路工程中十分重要的結構，同時也是受力最大的結構，該結構一旦出現問題，很容易造成嚴重的大型安全事故，所以應當引起重視。在主梁結構設計中，由于當前常用的裝配式簡支梁結構，要重視其設計形式以及裝配位置，在設計形式方面，常見的設計形式為箱型、T型，應當根據工程整體應力分布來進行選擇，同時無論采用哪種結構，都應當對其尺寸、高度進行控制，即根據實際載荷表現，計算主梁結構需要具備的載荷力，再結合材料強度來計算出其厚度與高度，計算方法方面可以采用杠桿法或偏心受壓，其中杠桿法應用效果最佳；在裝配位置方面，因為主梁結構裝配位置不當，會導致載荷發生實際變化，所以必須進行設計，但此項設計較為簡單，即根據設計形式選擇時的載荷數據，確認裝配位置的整體載荷，如果載荷超過設計形式選擇時的載荷數據，則需要進行調整。

3、結構化設計應注意的問題

在道路結構化設計工作中，要遵守相應得原則，具體內容包括橋梁結構選擇、橋梁橫截等。在橋梁結構選擇方面，除了要保障結構滿足載荷要求以外還要求設計人員圍繞成本造價進行控制，盡可能降低橋梁節后得重量；在橋梁橫截方面，因為不良橋梁橫截會導致應力結構發生變化，所以為了確保變化為良性，有必要進行控制，控制原則上，可以采用對稱設計。圖1對稱橋梁橫截設計。

圖1 對稱橋梁橫截設計

結語：

本文主要對結構化設計在道路設計中的應用進行了分析，通過分析了解了結構化設計在道路設計中應用步驟，同時介紹了模型簡化與計算方法；了解了不同道路中結構化設計的應用，說明結構化設計可以應用在所有道路設計要求中；并提出了在結構化設計過程中需注意的幾個關鍵點。