結構化設計在道路橋梁設計中的應用

◎周廣道田帥帥

當前科學技術發展速度較快，智能技術已經逐漸地應用在各個行業當中，與計算機相關的軟件技術也在橋梁設計中得到了廣泛的使用，如Midas、BIM等設計，其優勢在于能夠從多角度實現對橋梁設計的優化分析。在對其進行優化設計的過程中，不僅要對橋梁的質量進行綜合考慮，而且還需要考慮到實際的施工成本，要對不同設計所產生的橋梁質量影響做深入分析，通過軟件技術能夠準確地將實際與橋梁設計之間存在的差異計算出來。不僅如此，還能夠將對方案所造成的不確定性因素準確地推斷出來，從而進一步降低橋梁施工過程中產生的不必要的經濟損失，從而將整體效益進行提高。

一、結構化設計的必要性

1.結構化設計能夠達到當前社會的需求。

相比于傳統道路橋梁設計，結構化設計能夠更加細致的對設計進行優化，以建設背景和技術為基礎優化設計道路橋梁的結構，從而使道路橋梁施工質量得到進一步的提高，使建設目標能夠順利完成。從專業角度來說，在建筑領域中結構化設計是新發展起來的理念，這也對相關的設計人員提出了更高的綜合素質要求，在設計時，設計人員不僅要掌握相關的專業知識，而且還要積累相應的設計經驗。從實際應用情況來看，該設計方式已經在道路橋梁設計中發揮了重要的作用，達到了當前社會發展的需求。

2.未來發展趨勢。

結構化設計實際是一種設計理念和技術的提升，在實際操作過程中需要與BIM技術、云計算等技術進行結合使用，通過模塊化的程序設計來開展工作。當前在開展道路橋梁工程中，人們逐漸地提升了對其功能性的要求，因此也隨之提升了結構化設計的要求。在此背景下，該設計方式不僅需要設計人員熟練的掌握各方面素養，而且還要求設計人員能夠對設計風險進行有效把控，在選擇建筑材料、控制項目規模等方面充分的發揮統籌規劃能力；在設計后，還需要運用力學理論來進行可行性研究分析。相比于傳統設計，結構化設計能夠科學的優化設計方案，使其能夠更加符合社會發展的需要，因此，道路橋梁設計未來的發展方向必將是采用結構化設計。

3.結構化設計能夠提升施工的可行性。

在設計階段，不僅要開展詳細的設計工作，還需要對施工方面進行相應的可行性分析，將設計與施工之間的銜接工作做好。結構化設計需要相關人員根據建設環境的不同進行相應的設計，在設計時，一方面要保證施工質量，另一方面還要有效識別方案中存在的風險，從而進一步提高施工的可行性。此外，為了保證能夠順利開展施工，在進行設計的過程中，設計人員還需要精確的計算道路橋梁組件的承載力，確保道其承載力能夠達到相關標準要求。同時，設計人員也需要從實際施工情況、應用范圍出發，深入的研究其安全性和合理性，從而使道路橋梁的各項性能得到大幅度的提高。

二、主要應用原則

1.合理性原則。

在城市化建設過程中道路橋梁發揮的作用越來越重要，因此，在結構化設計的過程中要堅持合理性原則，進一步優化設計結構。對于設計橋梁結構的思路，要以科學為基礎，最大限度的降低道路橋梁的總質量，合理優化其結構性能。同時，在設計方面，設計人員要采用簡單的方式來對荷載進行傳遞，從而對道路橋梁承載能力進行有效地平衡。

2.整體性原則。

在結構化設計時，設計人員要具有整體設計的眼光，應重點考慮項目的長遠發展，不僅要確保項目設計達到相應的質量標準，還需要從角度來最大限度降低成本，從而使建筑的整體性得到最大限度的體現。例如，在對水密層進行設計時，設計人員可以采取將道路與混凝土進行共同設計，從而使兩部分的連接性得到進一步的加強，還能夠極大地提升其延展性和質量，今兒使建設質量得到進一步的提高。

3.可靠性原則。

道路橋梁工程直接關系到城市的發展和行人的生命安全，因而在實際設計的過程中，要保證其設計結構能夠使受力范圍得到有效地擴大，同時還要最大限度縮短傳遞路徑，使道路橋梁工程質量得到全面提高。同時，設計原則還要將結構與材料的應用情況在設計中充分體現出來。我國材料技術近些年得到了大幅度的發展，不同的建筑材料對性能和使用范圍有著不同的要求，因此更需要科學的處理好兩者之間的關系，確保結構設計達到標準的同時降低選用成本，且盡可能選用綠色環保的建筑材料。

三、應用要點

1.優化結構化設計模型。

在結構化設計過程中，需要將當前應用技術進行結合來進一步優化設計模型，從而使設計要求更符合當前應用的需要。首先，進行離散化的結構設計。該結構設計能夠對其整體性能進行有效地改善，還能夠將充分的自由度向有限的自由度進行轉化。但是在進行離散化設計時，設計人員應當精確的計算橋梁結構的應力，使結構達到更好的穩定性。其次，要進行設計模型結構。設計人員需要以力學為基礎將道路橋梁的靜荷載計算出來，根據參數內容來進行結構化的建模。設計人員還需要從材料和荷載角度出發，對其進行精確的計算，充分利用各類材料來模擬分析其結構強度，最終使施工質量能夠達到相關標準要求。

2.應用科學合理的計算方法。

在結構化設計過程中，設計人員需要進行大量的計算，所以設計人員就需要對計算方法進行科學合理的選擇，從而使計算過程中出現的誤差減少。首先，在對建模進行分析時，選擇比例尺要足夠的科學，利用實際垂直和水平軸的情況進行科學的計算，從而將函數大體上的輪廓圖得到。其次，要充分的運用求極限的方法來對函數的極值進行計算，同時計算好同態設計度量。計算同態設計的度量與極值方法比較類似，都是利用了函數的不等式性質來進行計算的，該方法的應用能夠大幅度的降低計算量，將計算流程進行簡化，使計算效率得到大幅度的提高。

3.提高道路橋梁的防水性能。

在應用道路橋梁的過程中外界環境因素常常會對其產生影響，特別是在我國大部分的地區天氣情況比較惡劣，極大威脅到道路橋梁工程的質量。從當前該行業的施工情況來看，針對防水結構的施工已經逐漸地成為了整個建設過程中非常重要的組成部分，從另一方面來說，工程的質量直接由其發揮的防水性能來決定，因此，在結構化的設計過程中，設計人員必須要細致的設計工程的防水結構，同時對其可行性進行論證，從而保證道路橋梁達到良好的防水效果。從目前的應用情況來看，排水和防水工程兩方面共同組成了防水結構，在對其進行設計的過程中，必須要采取相應的措施，避免道路橋梁發生澇漬情況，并對道路橋梁路面的積水、積雪進行及時處理，科學的做好相應的排水工作。施工時，新型材料也逐漸地被廣泛的應用，施工人員可以將具有良好防水性能的建筑材料應用在道路橋梁的表面，并通過將道路橋梁的具體特點進行有機結合制作出相應的防水層，從而使其防水性能得到全面提升，進一步的延長其使用壽命。

4.合理配比混凝土材料。

混凝土在道路橋梁工程中是最重要的施工材料。由于混凝土材料的來源十分廣泛且所耗費的成本相對比較低，在施工過程中工序簡單便捷，因而一直都是各類大型建筑的主要建設材料。在結構設計中，混凝土材料所發揮的作用也十分重要，為了保證道路的地基以及橋體的穩定，在設計過程中，設計人員通常會將混凝土的厚度進行適當地增加，從而更有效的保護橋體鋼筋。在施工過程中，混凝土的質量對項目的安全性和穩定性起著決定性的作用，因此在設計時也需要仔細的論證所使用材料的穩定性。從材料的性質來將，鋼筋混凝土屬于的是一種復合型材料，在對其進行配置時要嚴格按照行業內的標準要求，并結合施工實際情況進行科學的配比，這樣能夠使混凝土的質量得到全面提高。在一些項目中，建筑企業為了能夠獲得更高的經濟效益，通常情況下使用的混凝土強度都比較低，最終導致建設質量達不到相關標準要求，對其使用壽命和項目造成了嚴重影響。因此，在設計與配比材料的過程中，設計人員要確保應用的混凝土項目足夠的科學，從而將項目工程的整體質量進行提高。

四、實例分析

1.結構設計的應用。

這篇文章選擇了新華路高架橋梁進行防水結構化設計作為講解實例展開，將合肥本地的水文條件進行結合進行設計。在此過程中要注意保持防水層下面的橋梁鋪裝的平整度，通過科學的混凝土設計，使橋面產生一定的坡度，確保水流達到足夠的暢通。此外，對于防水結構的施工還需要確保其結構達到足夠的完整、足夠的強度等相關要求，通過采用科學的工藝使防水結構的完整性得以更好的實現。最后，要均勻設計排水管道系統，嚴格按照安裝規范進行施工，防止混凝土構件在橋梁施工過程中發生滲透、腐蝕現象，最大限度的提升橋梁結構的強度。

2.結構化設計的應用。

該項目的高架采用大懸臂魚腹式箱梁，如圖1所示，由于該設計的特點是線條圓潤，具有良好的觀賞性，由于橋下空間比較大，因此在城市高架中得到了廣泛用。由于其寬度達到了5.4m，能夠使箱梁自重得到有效減輕，在對其進行結構化設計中為了防止彎矩過大，在懸臂下還需要設置0.25m斜腹板與外腹板進行連接，橫橋所發揮的作用就相當于撐桿，把荷載傳遞到腹板，縱向也不分配荷載，在縱向計算中，僅需要將在2根小直徑鋼束配置斜腹板上方，從而使整體截面保持平衡受力。該截面還需要根據橋梁實際結構進行科學的設置，這樣有利于優化內力分布，降低橋梁結構所承受的自重，從而更好的實現科學設計橋梁的結構。

圖1大懸臂魚腹式箱梁斷面

3.在橋梁加寬設計中的應用。

合肥市新華路與中心大道立交的特點是現狀橋梁，需要對其進行相應的加寬，加寬方案主要是將原橋護欄進行拆除，并在其外側新建一個獨立橋梁如圖2所示。

圖2現狀橋梁拼寬斷面

由于該橋梁已使用了多年，橋梁已處于完成沉降狀態，在使用新建橋梁過程中會出現不均勻沉降，使橋面發生拉裂，對行車舒適度造成一定程度的影響。為了能夠將這個問題解決，采用柔性拼接的方式來對接縫處進行處理，在接縫的兩側使用GD彈性混凝土新型材料，該材料結合了橡膠和混凝土的優勢，具有較高的抗裂性，能夠有效抵御較大變形。目前，該設施已經通車兩年多，沒有出現任何裂縫，具有良好的運營狀況，這也是新材料在實際中應用的成功案例。

4.在鋼筋混凝土施工中的應用。

（1）在高架橋鋼筋混凝土保護層施工。

為了能夠將結構的耐久性進行大幅度的提高，確保鋼筋不出現銹蝕情況，對鋼筋設置了相應的保護層，施工中將墊塊設置在鋼筋下，使其厚度達到相關的標準要求，從而能夠有效防止其出現腐蝕，將其結構的耐久性和安全性進行大幅度的提高，并且安全性也得到了不小的提升。在關于橋梁相關規范中對增強保護層進行了明確規定，在保證施工質量的基礎上，還要達到相關設計要求，這對于我國橋梁結構設計的發展是十分有利的。

（2）結構設計必須符合混凝土耐久性要求。

橋梁的施工質量直接決定了混凝土耐久性設計標準和其使用壽命。因此，在對混凝土結構進行設計的時候必須要達到耐久性標準要求，為達到這一目標，必須要將其耐久性進行大幅度的提高。對混凝土施工質量進行合理控制，進一步提升橋梁結構設計質量，從而使社會發展和出行需求得到滿足，使我國經濟建設得到可持續發展。

（3）結構設計中結構加固的措施。

施工中最常見的問題就是混凝土出現裂縫，會在一定程度上破壞橋梁的結構，裂縫不僅會使雨水滲透到橋體結構，而且還會不斷地擴大裂縫，進而侵蝕到橋梁內部結構。在橋梁施工中結構設計的應用與其性能之間存在著密切的關系，因此需要一個有效的模型對其結構進行加固，從而保證其實用性和安全性。

5.實際應用中注意要點。

（1）結構的選擇要足夠的科學，對負荷和剛性配置形式進行科學降低，以便于對其進行合理調整、分配。此外，保證施工過程中材料使用的剛性達到相關配置的規范要求。（2）盡量保證線力傳輸，唯有如此才能更好的節約支撐所消耗的反作用力，與外部負荷更好地達到平衡，以此來簡化橋梁的重量。（3）應保證在整個施工過程中結構化設計的連續性。如果將橋梁各部分組合一個整體，就能夠大幅度的將傳力路徑簡化。這樣就能夠有效的降低橋梁結構整體所受到的內力，減少使用材料，使成本進一步的降低，實現了整體的經濟效益。（4）在設計過程中，還需要綜合的考慮設計過程中所使用的材料，并將使用材料的結構載荷、性能等方面進行有機結合，對橋梁結構的性能進行相應的綜合分析，這樣能夠使結構凈重得到充分降低，并將橋梁質量進行大幅度的提高，使人們對出行安全的需求得到最大程度上的滿足。（5）對橋梁主要部件進行仔細檢查，這樣能夠充分的發揮出其潛力。根據設計要求，在復雜的環境中構建橋梁結構需要進行合理化設計。目的主要是能夠降低橋中主力桿的數量，并制作相應的力桿，在各種設計條件下其能夠得到有效的利用。因此在結構化設計能夠得到廣泛使用，降低建設過程中所消耗的材料，從而使成本得到有效的降低，最大程度上保證其經濟效益。

五、結束語

在我國當前經濟和交通運輸業發展過程中道路橋梁發揮了非常關鍵的作用。隨著其建設數量的增加和不斷擴大的建設規模，該領域的設計工作也發生了巨大的變化，對相應的技術提出了更高的要求。目前在進行實際設計中，結構化設計的優勢十分明顯，其所發揮的效果也得到了廣泛的認可。但是從實際應用上來看，該設計還存在諸多的問題和不足，特別是相關的技術細節仍然沒有得到適當的處理，希望通過本文的研究，能夠為該領域的發展提供一定的借鑒。