結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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摘要：對(duì)橋梁采取結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，能有效提高橋梁的穩(wěn)定性。鑒于此，結(jié)合設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，首先簡(jiǎn)要闡述了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的必要性，然后介紹了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，并對(duì)橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了分析，最后從離散化結(jié)構(gòu)、模型化結(jié)構(gòu)等方面，深入介紹了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，希望為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考，從而推動(dòng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)工作中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)；橋梁設(shè)計(jì)；離散化結(jié)構(gòu)；模型化結(jié)構(gòu)

0引言

在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是橋梁整體設(shè)計(jì)方案的一個(gè)新的發(fā)展方向。本文對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比，展示了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)橋梁建設(shè)的意義。針對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的具體特點(diǎn)，分析了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)于橋梁建設(shè)的作用。對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的所有模型進(jìn)行逐一分析。不同的結(jié)構(gòu)其模型有所不同，但一般情況下不會(huì)將不同的模型應(yīng)用在同一橋梁中。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)解法主要有四個(gè)方面，每一種解法的具體作用也是不同的。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用逐漸廣泛，因此對(duì)其具體的應(yīng)用方向進(jìn)行了分析，探討了進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循的基本原則。

1結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的必要性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良和創(chuàng)新，基本能代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)材料和工藝技術(shù)的選擇、結(jié)構(gòu)大小等問(wèn)題上，一般是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)和計(jì)算的，最后再進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)分析，其可行性主要是通過(guò)最終檢驗(yàn)的方式進(jìn)行確認(rèn)的。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中，各個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并不完全準(zhǔn)確，再加上其設(shè)計(jì)方法存在一定的落后性，因此實(shí)際效果存在瑕疵。在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念中，其兼顧面較為廣泛，能有效覆蓋橋梁的每個(gè)部位，從而保證橋梁的整體質(zhì)量。另外，在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，模塊的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)所采用的設(shè)計(jì)方法都是目前最先進(jìn)的，從過(guò)去的單一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的多模塊方式。在當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)逐漸復(fù)雜的情況下，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠更加細(xì)致與創(chuàng)新，促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的分解。一般來(lái)說(shuō)，從頂層開始向下進(jìn)行細(xì)化，并對(duì)程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行發(fā)展。整體思路是將橋梁的設(shè)計(jì)活動(dòng)分為幾個(gè)獨(dú)立的板塊，但板塊之間又能夠和諧共存，除了概要設(shè)計(jì)之外，許多環(huán)節(jié)還需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的表現(xiàn)形式一般為結(jié)構(gòu)圖。采取結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，能夠提高橋梁建設(shè)的可靠度。可靠度是橋梁建設(shè)過(guò)程中極為重要的一項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于橋梁的可靠度來(lái)說(shuō)，一般有兩個(gè)重要的影響因素，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效力和抗力。荷載效力受到很多因素的影響。而抗力則很大程度上受材料及其性能的影響。由此可見，對(duì)于橋梁的可靠性來(lái)說(shuō)，荷載效力和抗力兩方面的模塊設(shè)計(jì)是重中之重，需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。橋梁截面的安全承載指標(biāo)是首先需要明確的條件，對(duì)于橋梁安全來(lái)說(shuō)是最基本的因素。因此，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先保證其可靠度。另外，結(jié)構(gòu)的綜合荷載效力一般來(lái)說(shuō)不能超過(guò)結(jié)構(gòu)的總抗力。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該明確結(jié)構(gòu)的失效標(biāo)準(zhǔn)，其失效模型必須清晰，在此基礎(chǔ)之上才能夠保證整體橋梁的安全設(shè)計(jì)。

3橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的可行性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)為橋梁設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合，選擇出最適合的方案。在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：首先，是對(duì)橋梁整體質(zhì)量的保障，在當(dāng)前和今后一段時(shí)期之內(nèi)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠達(dá)到國(guó)家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求；其次，橋梁建成之后，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠在最快的時(shí)間之內(nèi)保證橋梁投入正常使用。因此，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)具有較高的可行性，其主要的改善途徑是提升結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效力和承受力兩方面。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)方面，這也是結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效力和承載力，能夠提升橋梁的使用性能，提高橋梁的建設(shè)水平。在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)分析，保證方案的可行性。橋梁的施工環(huán)境對(duì)于其承載力也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此需要對(duì)其安全系數(shù)進(jìn)行分析，模擬相應(yīng)指標(biāo)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，保證橋梁的安全使用。

4橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本原則及模型構(gòu)建

4.1結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本原則

對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，能夠在科學(xué)的范圍內(nèi)最大程度地減少結(jié)構(gòu)承受的重量。施工中通常會(huì)用到不同的施工材料，其剛度和配比需要符合橋梁的截面要求，并且在設(shè)計(jì)中需要考慮施工的順利進(jìn)行。橋梁的施工首先需要保證質(zhì)量，在保證質(zhì)量的前提下，節(jié)約材料，加快進(jìn)度。在工程材料以及設(shè)備的使用上，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能夠從整體出發(fā)，擴(kuò)大橋梁的使用受力面，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效優(yōu)化，從而盡可能地減少不必要的浪費(fèi)，降低建設(shè)成本，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)有助于維持橋梁的長(zhǎng)期性能，安全性能也能夠得到有效提高。

4.2離散化結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

離散化結(jié)構(gòu)模型的建立一般來(lái)說(shuō)是將橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行分割，將原來(lái)的整體設(shè)計(jì)細(xì)分為多個(gè)部分，離散化結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)π碌慕Y(jié)構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建，因此在進(jìn)行受力分析的過(guò)程中，能夠有效地對(duì)每一個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，提高工作效率，并且保證數(shù)據(jù)的合理性。

5結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算模型

5.1離散化結(jié)構(gòu)

離散化的結(jié)構(gòu)是指對(duì)結(jié)構(gòu)的無(wú)限自由度進(jìn)行限制，轉(zhuǎn)化為有限自由度，將橋梁細(xì)分為多個(gè)組成部分，以便更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。離散化設(shè)計(jì)能夠?qū)⒄麄€(gè)工程劃分為多個(gè)可以自由設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，最后通過(guò)整合對(duì)不同部分進(jìn)行分析，主要以分散的模塊為主，能夠解決較多的實(shí)際問(wèn)題。

5.2模型化結(jié)構(gòu)

模型化結(jié)構(gòu)主要是對(duì)力學(xué)原理進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的規(guī)律進(jìn)行科學(xué)的分析，針對(duì)主要的矛盾問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)處理。在一般的工程中主要有兩種結(jié)構(gòu)，一是剛架結(jié)構(gòu)，二是薄壁結(jié)構(gòu)。通過(guò)模型的簡(jiǎn)化能夠?qū)蛄汗こ桃院?jiǎn)潔的方式呈現(xiàn)在圖紙中，能夠清晰地展示相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)于可能遇到的受力問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防。

5.3簡(jiǎn)化材料和荷載

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)假定工程材料具有理想的塑性和彈性，并且通過(guò)有限的參數(shù)對(duì)無(wú)限的隨機(jī)荷載進(jìn)行模擬。使用到的參數(shù)一般包括兩種：一是具有概率的特定的參數(shù)，二是解析式的參數(shù)。使用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方式，使得材料荷載的計(jì)算和模擬更加簡(jiǎn)便。計(jì)算模型對(duì)于實(shí)際施工具有重要的作用，因此，計(jì)算模型的選擇必須謹(jǐn)慎、嚴(yán)格，根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行綜合考量，制定出最準(zhǔn)確、最適合的計(jì)算模型，使其盡可能地符合實(shí)際情況，能夠反映實(shí)際受力，以便針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行預(yù)防。

5.4在混凝土施工中的應(yīng)用

在橋梁施工過(guò)程中，通常采用鋼筋混凝土來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土，這就增加了混凝土自身的重量。鋼筋混凝土屬于混合型材料，性能較為復(fù)雜，而且容易受外界環(huán)境影響，易被腐蝕。因此，在進(jìn)行混凝土施工時(shí)，需要對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行特殊保護(hù)，以保證鋼筋混凝土的使用壽命。通過(guò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，可以有效提高混凝土的穩(wěn)定性、耐久性和抗裂性，保證橋梁的安全性能，提高橋梁的整體使用壽命。

6結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前逐漸興起的新型設(shè)計(jì)方式，其主要是由程序化設(shè)計(jì)演變而來(lái)，目前在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)。雖然其本身存在一定的缺陷，但其發(fā)展前景非常廣闊。在當(dāng)前的應(yīng)用中已取得了較為理想的效果，但由于目前還沒(méi)有得到全面普及，對(duì)于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)依然需要加強(qiáng)探索，深入研究，不斷改進(jìn)和完善，以促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)水平的提高。

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作者：武圣章 徐友才 單位：江西省公路科研設(shè)計(jì)院