结构化设计在桥梁工程设计中的应用

王文慧

摘 要：本文基于结构化设计的原理，分析了其应用于桥梁设计的可行性和重要性，并详细剖析了其发挥作用的应用原则和应用方面，以期能够为桥梁工程设计的改进提供理论支持。

关键词：结构化设计;桥梁工程;工程应用

中图分类号：U442.5 文献标识码：A

0 引言

为了适应日益上升的交通需求，我国公路建设在数量和体量上都得到了快速的增长，而桥梁作为公路中重要的组成部分，也呈现出向着复杂化发展的趋势，传统设计方法已经难以满足桥梁建设需求，亟需更为高效的技术、手段来改进设计方法。近些年，设计技术在不断地改进，实践中引入了结构化设计法，并凭借其所具有的诸多独特优势在桥梁设计中得以广泛应用，优化了传统设计方法。实践表明，结构化设计对于桥梁设计中的不确定值问题有着很好的解决效果，在保障设计方案可靠的基础上，具有突出的经济效益。

1 结构化设计概述

结构化设计是一种以设计数据为分析对象，旨在通过对设计方案进行评价而完成优化的设计方法。该方法应用于道路桥梁设计中，能夠构建设计方案对应的模型并进行评价计算，以此来选择最优的设计方案。研究表明，结构化设计方法的应用效果取决于相关模型的建立以及计算方法的选择。结构化设计中构建分析模型的方法主要有离散化结构设计、荷载结构化设计等;模型计算方法的主要方法有图解法、同态设计法等。在设计时，要对模型构建方法、模型计算方法进行合理的组合，以此来最大程度地优化设计方案。

2 结构化设计在桥梁工程设计中的重要性和可行性

2.1 结构化设计在桥梁工程设计中的重要性

结构化设计的基础是建设地的地理条件数据、桥梁设计预期，并依赖模型计算来分析设计方案的可靠性，是一种基于传统设计的改进方法，能够为日益复杂的桥梁设计创造更好的设计条件。不同的是，在传统设计方法中对于建设材料和建设工艺的选择大多是基于设计人员的经验，缺乏具体的选择依据，方案的准确性难以得到保障，容易产生偏差。而结构化的设计有着强大的功能性，能够协助设计人员对设计的各个方面进行可靠的决断，并增强建设的施工组织性。此外，结构化设计中，通过方法管控模块设计和结构设计，能够将改变传统设计中的单一模块形式转变为多模块形式，覆盖设计的多指标，有效细化设计。

2.2 结构化设计在桥梁工程设计中的可行性

结构化设计方法优化设计方案的原理是对多个方案的指标进行分析评价，以此来找出最优的一个。而结构化设计的主要目的有两个：（1）保障桥梁质量。确保在规范施工下，竣工交付后桥梁在设计使用年限内强度、耐久等多项指标能够满足国家相关规范和设计预期。（2）在保障桥梁各项性能符合要求的前提下，缩短建设工期、降低建设成本。由此可以看出，在桥梁设计中应用结构化设计方法在原理上是合理的，具有足够的可行性。

结构化设计具体实现的主要途径是提高建设结构的荷载效力和承受力，以此来改善桥梁的工作性能，这两方面是结构化设计的渠道和重点，设计时应当引起足够的重视。为尽可能减小客观因素对设计方案的影响，在实际的设计中还要对拟建桥梁所处的环境条件进行勘测，并予以充分的考虑。结构化设计中一般通过安全系数来反映环境对设计方案的干扰，并借助计算机对环境影响指标进行评估。

3 结构化设计在桥梁工程设计中的应用原则

3.1 简单、规则

该原则的含义即是桥梁设计时在满足桥梁基本质量要求的基础上，尽可能地选择形式简单、外形规则的结构。因为这一类结构在荷载传递路径上较为明确，便于设计的开展，且能够很好地避免应力集中等不利影响，将外荷载在结构内均匀、合理地分散传递，提升结构整体力学性能。研究表明，简单、规则的结构设计对于节省材料用量、简化施工工艺有着积极的影响，可以大大降低建设成本，提升建设项目的综合效益。

3.2 综合性

桥梁设计时，其方案水平牵涉到了多个方面的指标，譬如质量、成本、工期等，但这些指标之间彼此又相互关联，如较高的质量往往也意味着更高的成本和更长的工期。因此在设计结构时就需要对这些指标进行综合考量，提升设计的综合性，在保障质量的前提下尽可能地降低成本、缩短工期。同时，设计人员在对某一指标进行优化时，也会带来其他指标的变动，如受力更优的结构可以节省材料，以此达到降低成本的目的。

3.3 科学性

桥梁工程在设计时，需要对其结构、材料、工期进行充分的考量，为结构化设计提供足够的科学支撑，减小桥梁建设的质量风险。设计人员在设计时要特别注意外在因素的干扰，根据工程建设的条件对风险性进行评估并制定好相对应的应对措施，为桥梁正常工作提供可靠保障。

3.4 前瞻性

目前，我国的交通运输需求正处于日益上升的阶段，且未来仍具有巨大的发展空间，桥梁作为交通运输中重要的一环，其未来也将承担较大的使用压力。在这样的发展背景下，桥梁设计就不仅仅需要保障目前的使用需求，更是要在设计初期就对未来桥梁的使用有一定前瞻性，保障桥梁在设计使用年限内都具有足够的适用性。这就需要设计人员对拟建桥梁的运输发展情况有充分的认识，并在桥梁的设计上提高要求，适应桥梁使用中可能增大的作用强度、作用密度等。

3.5 目标拆解

桥梁设计整体的目标可以拆解为多个小的方面来开展，譬如从建设材料和结构设计两方面来进行。一方面，根据结构的实际受力状态选择适当的材料，充分发挥材料的力学特性;另一方面依据不同结构形式的受力情况来优化结构设计，提升结构整体质量，提升使用安全性。

4 结构化设计的具体方法

在进行结构化设计时常用的具体方法有图形法、函数极值法和同态设计法三种，下面针对这三种方法进行介绍：

4.1 图形法

图形法是借助二维坐标系建立具有约束边界的一个范围，边界条件根据工程实际情况以及规范要求来取得。边界条件确定后，即可引入目标函数，目标函数在边界点取得的最大值与最小值即为设计范围。

4.2 函数极值法

函数极值法则主要借助数学手段来完成設计，一般可通过求导等方式来取得目标函数的极大值与极小值，以此来实现结构化设计。

4.3 同态设计法

同态设计法的特点在于其将设计中的范围条件转化为了等价条件，因此其相较于其他方法更加便于操作，能够大大简化设计流程，提升设计速度，更具备实际应用性。

5 结构化设计应用于桥梁工程设计

5.1 结构化设计的原则

（1）结构截面、建设材料的选择。设计人员在进行桥梁的设计时，需要充分考虑桥梁运营中可能受到的各种荷载和作用，尽可能选择对称、均匀、规则的截面形状。同时，在对建设材料的选择上，也要考虑到材料自身的性质，譬如材料自重导致的结构荷载增加，优先选用比强度大的材料。（2）设计方案中结构受力应当均匀，要尽可能地避免结构外形突变等不利情况，以此来减小应力集中的影响。（3）明确结构各个部分的受力情况与传力路径，特别是节点处的设计应当尤为注意，必要时要进行加固处理。（4）充分发挥各种材料的优势。对于结构中不同部位的构件，其往往有着不同的受力状态，这就需要设计人员根据具体受力情况选取合适的材料类型，来最大化发挥材料性能。

5.2 桥梁过程设计中结构优化设计应用

5.2.1 完善混凝土结构设计

混凝土结构作为桥梁工程的主要组成部分，其工程性能对桥梁有着重大的影响。结构化设计，能够优化混凝土结构组成，使其更加适应于使用需要，并抑制使用中病害的发生，具备更长的使用寿命。混凝土是一种复合材料，由水泥、砂石、外加剂等构成，结构化设计就是通过对各组分的配比、位置进行控制，以此来对结构受力开裂等问题进行控制，并且确定最优的配筋率、配筋位置、钢筋种类，以此来减轻结构自重并改善抗裂性能。

5.2.2 改善防水结构设计

桥梁的防水结构设计应当从整体入手，在桥梁结构具备足够强度、稳定性、耐久性的基础之上，对桥面结构与材料进行优化，并采取适当的工程手段来改善桥梁面层的平整程度。桥梁防水材料、防水结构的选择也应当与其他结构相适应，来简化结构、节省材料消耗。为保证防水结构具有足够的耐久性，设计时应当优先使用变形性能和力学性能优异的材料，并在合理的位置配备集水管、排水管等辅助防水设施，以便积水的及时排泄。特别地，在结构的连接处要做好防渗措施，以免雨水侵入导致结构受到腐蚀，影响其正常使用。

5.2.3 增强钢筋保护设计

钢筋作为混凝土结构中的重要组成部分，其耐腐蚀性较差，使用时需要做好防腐处理，特别对于修复难度较大的桥梁工程，需要在设计上做出相应的措施。在结构化设计时，应当对设计环境条件进行充分的勘测和考虑，对于腐蚀性环境、易腐材料等风险较高的情况要加设防护措施，譬如增加混凝土保护层厚度、涂抹隔离剂等，来防止材料的腐蚀，增加结构的耐久性。

5.2.4 优化防崩施工设计

结构化设计对于防崩施工设计的优化主要是在以下几个方面：（1）对施工预抛高值进行有效的预估，减小后期因工程修整而带来的成本投入和工期延误。（2）对于桥梁的合拢段设计，应当严格控制影响其施工高度的因素，原则上其高差应在3 cm以内，以此保障工程质量。（3）对于桥梁结构附属管道间的连接，要通过结构化设计进行优化，来防止连接点的崩脱，使其能够正常发挥功能。

6 结语

目前，桥梁工程已然成为了一个与百姓出行、经济生产紧密相连的领域，其设计方案的优化也得到了行业内越来越多的重视。实践表明，结构化设计的引入对于桥梁工程的设计不仅有着性能、质量上的提升，也在一定程度上改善了建设项目的经济效益与环保效益。合理、有效地利用结构化设计对于我国桥梁工程的发展有着重大意义，保障人们安全、高效的出行，也为桥梁建设提供更多的可能。

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