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橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計【1】
摘要：本文作者結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對大跨度橋梁優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了分析探討，提出了自己的看法。
關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計
隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁的發(fā)展也十分迅速。
如何在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為目前大跨度橋梁設(shè)計的重要內(nèi)容。
目前的橋梁技術(shù)雖然已經(jīng)能夠很好的解決大跨度橋梁現(xiàn)存的問題，但是隨著橋梁跨度的不斷增加，向著更長、更大、更柔方向發(fā)展，為了保證其建設(shè)的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易性以及美觀性，橋梁設(shè)計以及施工人員還有更多的工作要做。
而大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程，也是為了更好的處理和解決橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性以及經(jīng)濟(jì)合理性、美觀性的過程。
下面就對其設(shè)計要點進(jìn)行一一闡述。
1 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
1.1 局部優(yōu)化
大跨度橋梁的局部優(yōu)化雖然不能等同于整體，但是卻優(yōu)于整體，可以更好的促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
因為對局部的優(yōu)化設(shè)計變量相對較少而使研究的難度大大減小，研究的深度因而能更透徹。
目前針對大跨度橋梁的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究已涉及到大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工的各個方面，主要有：加勁梁橫截面的優(yōu)化，斜拉索或主纜的動力優(yōu)化，索力調(diào)整優(yōu)化，索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，斜拉索和吊索錨固的優(yōu)化，懸索橋錨錠的優(yōu)化，橋墩及基礎(chǔ)優(yōu)化。
1.1.1加勁梁橫截面的優(yōu)化
大跨度橋梁的加勁梁主要是由鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。
就目前建成的大跨度橋梁中，主跨梁的主要形式多數(shù)以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結(jié)合梁以及混凝土梁較少且相對較小。
1.1.2斜拉索或主纜的動力優(yōu)化
由于斜拉橋和懸索橋是當(dāng)前大跨度橋梁建設(shè)的主要橋式，兩者具有共同的特點，即都是由纜索支承，且橋面柔軟，屬于柔性結(jié)構(gòu)，其阻尼值較低。
在外部激勵下，拉索極易出現(xiàn)大幅度的振動，如風(fēng)雨交加時出現(xiàn)的主梁和拉索之間的耦合振動引起的參數(shù)共振、拉索的自激振等等。
拉索的大幅度振動極易引起拉索錨固端的疲勞、降低了拉索的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)苯佑绊憳蛄航Y(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。
由此可見，大跨度橋梁的動力問題極其重要。
1.1.3索塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化
索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是塔高和受力合理性的優(yōu)化。
塔的高度越高給施工帶來的難度也就越大，塔太矮也會直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。
因此，單獨的對塔高進(jìn)行優(yōu)化是不明智的，應(yīng)該與大跨度橋梁的其他部分整合起來綜合考慮。
塔的受力合理性與他的結(jié)構(gòu)形式、纜索形式、纜索的錨固形式以及錨固點的分布狀況有著直接或間接的關(guān)系，因此索塔受力的合理性優(yōu)化也是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可缺少的一部分。
1.1.4橋墩及基礎(chǔ)的優(yōu)化
橋墩以及基礎(chǔ)是橋梁重要支撐結(jié)構(gòu)，也是橋梁下部結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對橋梁的穩(wěn)固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎(chǔ)不論在數(shù)量、位置、還是結(jié)構(gòu)形式上，都對橋梁的穩(wěn)固、耐久有直接的影響，但對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響較小。
因此，在對橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)針對具體的橋梁進(jìn)行考慮。
1.2 整體優(yōu)化
大跨度橋梁都為高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計變量多，建設(shè)和設(shè)計工作又涉及到多方面的因素。
因此，要對其進(jìn)行全面整體的優(yōu)化或全過程的優(yōu)化依然存在困難。
這種困難不僅在于其目標(biāo)函數(shù)的建立，也在于對已建立的目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)解的計算速度和可能性。
為此，對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究多以局部優(yōu)化為主。
但是綜合評價一座橋梁的優(yōu)劣不是僅僅憑借局部的進(jìn)行評判，而是要看整體的效果和運(yùn)營，因此對橋梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計存在著一定的難度。
目前對大跨度橋梁的整體優(yōu)化主要有以下幾個方面：整體造價最優(yōu)，整體動力性能優(yōu)化，整體施工工藝優(yōu)化，橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與景觀優(yōu)化設(shè)計相協(xié)調(diào)。
1.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化
上部構(gòu)造形式的選擇，應(yīng)結(jié)合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性。
簡支空心板結(jié)構(gòu)的橋型，施工方便，施工技術(shù)成熟;但跨徑小，梁高大;由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協(xié)調(diào)，美觀性差;上部構(gòu)造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數(shù)量增加;橋面伸縮縫多，行駛條件差。
因而，在山區(qū)大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。
預(yù)制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價省、施工方便的特點，其造價低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。
但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產(chǎn)生的不平衡力大。
但當(dāng)曲線橋的彎曲程度較小時，曲線T梁橋采用直梁設(shè)計，以翼緣板寬度調(diào)整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補(bǔ)曲線T梁橋受力和施工上的不足。
雖然直線設(shè)置的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。
此外，可以采取加強(qiáng)橫向聯(lián)系的措施，提高結(jié)構(gòu)的整體性。
對于大跨徑橋梁，最好采用懸臂澆筑箱梁。
但是對于中等跨徑的橋梁，箱梁橋不論采取何種施工方式，費用都較高，與預(yù)制拼裝多梁式T梁相比，處于弱勢。
1.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化
下部結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足上部結(jié)構(gòu)對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)、布置均勻。
橋墩視上部構(gòu)造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。
柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。
對于連續(xù)剛構(gòu)橋，要注意把握上下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度比，減小下部結(jié)構(gòu)的剛度，可減小剛結(jié)點處的負(fù)彎矩，同時減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力。
但是橋墩也不可以太柔，否則會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形，影響正常使用，并不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
對于高墩，除了要進(jìn)行承載能力與正常使用極限狀態(tài)驗算外，還要著重進(jìn)行穩(wěn)定分析。
對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)橋，各墩的穩(wěn)定性受相鄰橋墩的制約影響，應(yīng)取全橋或至少一梁作為分析對象。
穩(wěn)定分析的中心問題就是確定構(gòu)件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載，下面以連續(xù)梁為例進(jìn)行說明。
介于梁、墩之間的板式橡膠支座，梁體上的水平力H(車輛制動力和溫度影響力等)是通過支座與梁、墩接觸面上摩阻力而傳遞給橋墩的，它不但使墩頂產(chǎn)生水平位移，而且板式橡膠支座也要產(chǎn)生剪切變形。
當(dāng)梁體完成水平力的傳遞以后，梁體暫時處于一種固定狀態(tài)，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會繼續(xù)產(chǎn)生附加變形，這就使得板式支座由原來傳遞水平力的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榈挚苟枕斃^續(xù)變形的功能，支座原來的剪切變形先恢復(fù)到零，逐漸達(dá)到反向的狀態(tài)。
2 結(jié)束語
隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，近年來，大量的大跨度橋梁相繼建成，其結(jié)構(gòu)形式也趨于多樣化、復(fù)雜化，而且大跨度橋梁的安全運(yùn)營也關(guān)系到整個交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。
但是，隨著大跨度橋梁的運(yùn)營過程中，隨著年限的增長、運(yùn)輸量的逐漸增加，都使得橋梁的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各式各樣的問題，怎樣杜絕或者延緩這些問題的發(fā)生，首先要在橋梁最初的設(shè)計階段，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少因為設(shè)計影響橋梁后期運(yùn)營的情況發(fā)生。
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橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究【2】
摘 要：橋梁工程是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是城市基礎(chǔ)設(shè)施中一個重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否科學(xué)合理，直接決定了橋梁的安全性、實用性和耐用性。
文章通過對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹，探討一下橋梁設(shè)計的問題及優(yōu)化方案。
關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;問題
1 現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題
1.1 橋梁設(shè)計缺乏先進(jìn)的理論基礎(chǔ)和完善的結(jié)構(gòu)體系
目前在我國，一些橋梁設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在對橋梁結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結(jié)構(gòu)的整體性延性不足，計算圖式和受力路線不明確，主要會引起：結(jié)構(gòu)局部受力過大，應(yīng)力集中;混凝土強(qiáng)度要求過低;保護(hù)層厚度過小;構(gòu)件截面過小或過大等問題。
這些問題都會削弱橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，會嚴(yán)重影響橋梁的安全。
此外，一些橋梁設(shè)計人員缺少動態(tài)思維方式。
在針對不同的環(huán)境、不同的使用條件和不同的設(shè)計對象時，不能根據(jù)變化因素對結(jié)構(gòu)體系做出合理的應(yīng)對措施。
在新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展的情況下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了新要求，這時候設(shè)計人員的創(chuàng)新意識和與時俱進(jìn)的設(shè)計理念就尤為重要了。
在結(jié)構(gòu)體系上，目前的橋梁設(shè)計普遍的缺乏整體的設(shè)計規(guī)劃，過于偏重設(shè)計建成時期結(jié)構(gòu)的工作和服務(wù)能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。
橋梁工程是一個由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員要用動態(tài)思維去解決面臨的發(fā)展技術(shù)問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內(nèi)，保證橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)體系的完整性。
1.2 橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性問題
橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的概念是：在規(guī)定的服役基準(zhǔn)期內(nèi)，在正常使用和維護(hù)的情況下，結(jié)合環(huán)境和結(jié)構(gòu)抗力衰退等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)在服役期過后的后續(xù)服役期內(nèi)能完成預(yù)計功能的能力。
我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性的重視程度大于耐久性，重視強(qiáng)度極端狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而忽視檢測和維修，不少大橋坍塌都是由于構(gòu)件疲勞損壞所引起，影響了橋梁的承載能力和使用性能。
橋梁在建造和使用過程中，受到了外部和自身環(huán)境的影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化，有些橋梁僅用10年左右的時間就因為耐久性出了問題而影響結(jié)構(gòu)安全。
結(jié)構(gòu)耐久性不應(yīng)成為橋梁結(jié)構(gòu)最普遍的一個安全問題，設(shè)計時要從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料等角度采取措施來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。
1.3 橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題
橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，是由于橋梁所采用的材料不均勻和不連續(xù)，存在許多微小的缺陷，在荷載反復(fù)作用下，這些微小缺陷會逐漸變化形成損傷，并逐漸在材料中形成大面積裂紋，裂紋得不到有效控制，極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)因脆弱而斷裂，造成嚴(yán)重后果。
對疲勞損傷的研究不僅僅針對整體橋梁結(jié)構(gòu)，實際上橋梁結(jié)構(gòu)常常由于某些關(guān)鍵部位的局部疲勞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效。
近幾年，我國發(fā)生過幾次大的橋梁事故，都是因為結(jié)構(gòu)疲勞損傷的情況引起的。
另外，超載也是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要原因。
2 橋梁設(shè)計中應(yīng)注意的具體問題及解決方法
2.1 設(shè)計地基高度的調(diào)整
地基是橋梁施工中最重要的工作之一，地基高度的不合理，給橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)帶來很多不安全因素。
由于地基土層極易風(fēng)化，如果解決的不合理，就會導(dǎo)致地基不夠堅實，地基下沉甚至地基崩潰等后果。
首先，用封閉的防水技術(shù)，可以增強(qiáng)橋梁地基的穩(wěn)固性能，標(biāo)高地基高度，以此來保護(hù)橋梁地基強(qiáng)度。
其次，設(shè)計人員應(yīng)把握好地基高度，在設(shè)計階段，就應(yīng)當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基共同作用，必要時采取有效措施加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，可以增加建造物對地基不均勻變形的適應(yīng)能力。
2.2 混凝土裂縫的寬度調(diào)整
裂縫是混凝土構(gòu)件不可避免的特征，不僅影響結(jié)構(gòu)的美觀，而且會導(dǎo)致構(gòu)件承載能力和耐久性等性能的下降。
我國橋梁規(guī)范中根據(jù)構(gòu)件類型和環(huán)境類別對裂縫寬度進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，強(qiáng)化控制混凝土裂縫的寬度可以使橋梁承載能力得到提升，耐久性更有保障。
混凝土裂縫寬度的設(shè)計，可通過采用結(jié)構(gòu)局部預(yù)防力、調(diào)整鋼筋布設(shè)位置和加強(qiáng)混凝土截面剛度等方法來控制混凝土裂縫的寬度。
3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施
在這里我們探討的是基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計。
這種優(yōu)化模式是由Forscll最先提出來的，他把使總耗費(初始投資與期望損失值之和)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，主要研究了可靠性與優(yōu)化之間的關(guān)系。
他指出，用整個橋梁結(jié)構(gòu)失效概率作為功能約束的優(yōu)化過程應(yīng)該產(chǎn)生出更加平衡與合理的安全度相一致的設(shè)計。
他認(rèn)為，科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該考慮橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的性能，同時橋梁結(jié)構(gòu)的服役期很長，如果不加維修，它的功能一定會越來越衰退，所以必然要及時采取相應(yīng)的維修和加固的措施。
不難理解，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度標(biāo)準(zhǔn)越高，建造橋梁結(jié)構(gòu)的原始成本就越少。
所以會存在一個最優(yōu)化設(shè)計可靠度，在這個標(biāo)準(zhǔn)下，橋梁結(jié)構(gòu)服役期的總耗費是最小的。
3.1 充分重視橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計
現(xiàn)行規(guī)范對橋梁設(shè)計的要求是適用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀，對橋梁的強(qiáng)度考慮多于耐久性，對使用周期中橋梁的性能表現(xiàn)相當(dāng)重視而忽視使用極限狀態(tài)和對結(jié)構(gòu)的維護(hù)。
這種傾向很大程度上造成了工程事故頻發(fā)、橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量差，性能不穩(wěn)定、使用年限短等不良后果。
設(shè)計人員應(yīng)該從思想上改變這種傾向，充分重視對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計，不但讓它在服役期內(nèi)安全可靠的工作，同時要最大限度的延長它的衰退期，安全使用的年限越長，則其經(jīng)濟(jì)性和實用性越優(yōu)化。
3.2 重視對疲勞損傷的研究
橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的力量，會引起結(jié)構(gòu)的震動，也會引起結(jié)構(gòu)的積累疲勞損傷。
在循環(huán)荷載作用下，這些缺陷會逐漸形成宏觀裂紋，如果得不到控制，會引起材料和結(jié)構(gòu)的斷裂。
早期的疲勞損傷不易被檢測到，但帶來的后果是不堪設(shè)想的。
設(shè)計人員要充分重視對疲勞損傷的研究，盡量把疲勞損傷的因素消除，把造成不良后果的可能性降到最低，避免造成不可彌補(bǔ)的損失。
3.3 重視對橋梁超載問題的研究
3.3.1 橋梁年限過長，超齡負(fù)載使用。
3.3.2 橋梁同時通行的車流量超過可承載的最大限值。
3.3.3 車輛違規(guī)超載。
超載一方面會引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題，另一方面，由于超載引起的橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷不能恢復(fù)，使其工作狀態(tài)發(fā)生變化，危害橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐用性。
所以，在橋梁設(shè)計中應(yīng)重視對橋梁超載問題的研究，充分考慮社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、地域等因素的影響，把超載問題納入橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中來。
3.4 施工中所能涉及到的優(yōu)化設(shè)計
3.4.1 斜腹桿混凝土受拉開裂處理問題設(shè)計：應(yīng)采用局部預(yù)應(yīng)力的方法，也就是橋梁只在斜腹桿內(nèi)布置冷拉級預(yù)應(yīng)力鋼筋，拱片預(yù)制成型后張拉錨固，這樣就大大降低了斜腹桿拉應(yīng)力和混凝土裂縫開展寬度。
3.4.2 泥巖地基處理問題設(shè)計：此基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)采用巖面防水封閉技術(shù)，當(dāng)基坑挖至設(shè)計標(biāo)高后，經(jīng)平整和清理基底后，快速的澆筑封底防水混凝土以保護(hù)地基。
這一措施可以防止表層地基土膨化、保持地基土的強(qiáng)度。
3.4.3 竣工階段橋墩抗推問題設(shè)計：可在墩頂增設(shè)臨時的水平拉桿，另一端與橋臺錨固，臨時支架拆除前進(jìn)行預(yù)張拉。
這樣，墩基底的應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定都能夠滿足規(guī)范的要求。
4 結(jié)束語
橋梁對我國現(xiàn)階段的交通運(yùn)輸發(fā)揮著巨大的作用。
我們在認(rèn)識交通運(yùn)輸對橋梁作用的同時，還要積極的探討它在橋梁設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系、耐久性、疲勞損傷、超負(fù)荷作業(yè)等方面的一系列問題，只有這樣我們才能進(jìn)一步地提高我國橋梁設(shè)計的技術(shù)水平，增加橋梁的使用壽命，并在節(jié)省維修資金的基礎(chǔ)上，有效的保證其質(zhì)量，為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，也為人們提高生活質(zhì)量提供有利保障。
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