结构优化设计在公路桥梁设计中的研究与应用

2014-10-21郭春兰

科学时代·下半月 2014年12期

【摘要】近几年，我国公路桥梁建设速度加快，其结构设计发展的越来越成熟，与此同时，要想在快餐文化中设计更好的公路桥梁，需打破常规优化设计理念，将结构优化设计融入其中，在借助计算机技术的功能下，将优化设计理念充分融入到公路桥梁设计之中，进而使公路桥梁设计体现出“安全、美观、经济、适用”的基本特性。笔者在结合多年自身经验后，对公路桥梁设计中的结构优化的发展现状进行分析，并对其探讨公路桥梁结构优化设计的方法，为同行之人提供理论参考。

【关键词】结构优化设计；公路桥梁；设计

现如今，在我国社会经济快速发展的同时，现代化交通网在促进国民经济的同时，对公路桥梁的建设有所影响。在交通事业的发展中，各种江河、沟谷以及线路对道路的建设有所阻碍，需对其采取针对性讲解措施，使其成为道路建设中的主要组成内容。[1]在20世纪，科学技术的进步让人们对公路桥梁的建设有了新的认识，并提出新的要求，华夏大地中的各种立交桥、高架桥、海峡大桥等成为了地球上最为美丽的风景线。因此，在公路桥梁建设中，使其作为工程实体与空间艺术，是当前公路桥梁中的主要涉及理念。

一、现階段公路桥梁结构优化设计缓慢的原因

现如今，虽然结构优化设计在公路桥梁的建设中受到重视，但是其应用范围比较狭窄。主要的原因不仅是工程师设计取费标准，还包括以下几点：

（一）公路桥梁结构优化设计存在不确定性

现阶段，公路桥梁结构优化设计存在不确定性，比如外部环境具备不确定性，结构本身具备不确定性，结构整体分析中模型简化的误差导致结构优化设计具备不确定性等。[2]因此，为从根本上对该类不确定因素进行考虑与分析，需加强对结构可靠理论的理解与认识。

（二）公路桥梁结构设计准则具备多重性

公路桥梁结构设计准则的多重性主要包括三个方面，分别是公路桥梁承载能力极限状态设计、在正常使用中的极限状态、与其它功能进行联合使用时所体现出的极限状态。[3]

（三）结构优化目标具备多样性

从公路桥梁的整体角度而言，人们不仅要对其结构造价进行考虑，并且还要根据不同的功能下所产生的失效效率以及失效损伤所造成的损失期望、维修成本等一系列经济指标进行分析。除此之外，目标函数本身的性质比较特殊、复杂，不仅要设计变量的显式函数，并且还要对变量的隐式函数进行设计，将结构造价与结构损失期望进行紧密结合，改变结构优化中产生的单调性。

（四）结构设计变量具有离散性

在建筑施工的过程中，由于施工条件因素，桥梁工程结构中的设计变量过于离散，并且在受到非常大的约束条件下，所形成的实际公路桥梁工程中的设计变量受到施工因素的影响，所产生的数量比较少。

（五）约束条件的数目具有庞大性与复杂性

为了从根本上使结构优化设计能够符合现在的公路桥梁要求，需对结构设计进行各种规范要求，其中，现行的规范对结构的构建、结构的类型产生相应的规定，并且涉及到结构设计的诸多方面，所形成的性质差距比较大，无论是从尺寸约束还是到刚强约束，无论是从构建单元约束还是到结构体系约束，都会在正常的极限状态下形成最终极限状态。

因此，要想从根本上使公路桥梁能够在规范条件下进行结构优化设计，则需要营养科学、合格的优化方式，对实际公路桥梁工程的优化模型进行简化，使简化后的模型与实际情况差距减小，进而适用于实际公路桥梁工程之中。

二、基于可靠度的桥梁结构优化设计研究

在科学的可持续发展中，结构设计的要求逐渐提高，其中，基于可靠度的桥梁结构优化设计在顺应这一发展趋势的情况下，逐渐成为结构工程学中最具影响性的热点话题。

（一）基于可靠度的公路桥梁优化设计

基于可靠度的优化模式最早是有Forsell所提出的，Forsell将公路桥梁建设中的总耗费作为主要的优化目标，并将可靠性与优化之间的关系进行分析与研究，进而提出了结构失效概率在优化过程中所体现的均衡性与合理性，并且认为真正的优化设计需要在各种负荷作用的性能下进行。[4]

桥梁结构的服役期是比较长的，如果不对其进行维修，其功能会得到减弱，因此对其采取有效的维修方式是非常重要的。另外，桥梁结构设计的可靠度如果越高，那么桥跨建设的初始成本会得到提高，桥梁结构的维修加固费用则会建设。见图1。因此，设置优化设计的可靠度，能够从根本上减少桥梁结构服役中总耗费。

（二）结构优化的模型设计

基于可靠度的公路桥梁结构优化模型能够对结构的可靠度进行优化，在对其设计中需要将结构优化的设计方法进行转化。

1、结构可靠度的最优分配

在不受到其它因素的影响下，积极寻求结构可靠度的最优分配需要求解以下公式：求Psi i=1，2，？，K min W=C+L

其中，W是目标函数，C是工程造价，L则是结构的损失期望，K是构件的数量。[5]

在上述模型中，能够对不同结构的不同情况进行分析与研究，其中，C与L之间的表达形式不同，所以需寻求最佳表达方式。另外，在结构可靠度的分配模式中，需采用目标函数，W=C+L，使其作为转化的基础，将问题进行简化处理。在整个数学求解的规则中，Psi i=1，2，？，K能够将最优可靠度进行决策，并且从近期效益出发，将投资条件进行整合，使其作为安全指标与经济指标。

2、结构优化在公路桥梁设计中的方向

在对基于可靠度桥梁结构优化设计研究中，需要对以下问题进行研究：

（1）要根据公路桥梁的结构特点，制定符合的优化模型。

（2）要对桥梁结构中的各个构件的逻辑关系进行研究。其中，在结构优化的理论之中，串联系统是运用比较广泛的，因此，将公路桥梁的结构划分为相应的串联单位，能够将问题进行简化。

（3）要对构件失效模式与失效之间的相关性问题进行研究。在可靠性計算之中，其结构优化是极其重要的组成部分，因此，为从根本上对各个构件之间的相关性与失效模式进行合理考虑是极其重要的。否则会产生一定的误差。

（4）对公路桥梁结构中的控制作用所产生的失效模式进行研究，将主要矛盾进行了解，对问题进行简化处理。

（5）对桥梁结构造价以及可靠度之间的函数关系进行研究，对其结构失效损失值的估计方法进行了解。

三、结构优化设计在公路桥梁中的应用原则

（一）如果力的传递路线比较直接，那么结构的重量就会变轻。

（二）要选择比较合适的截面形式与刚度配置，促使内力与位移之间的分布合理，结构的重量则会更轻。[6]

（三）对各种材料进行组合，并与结构的受力特征与几何特征进行结合，将不同材料的优良性能进行充分发挥，知识结构重量变轻。

（四）积极发挥出受力构件的潜能，在根据所提方案中的要求，对结构的设计情况进行规范，并且在对结构进行总体设计的时候，要充分发挥出受力构件在设计情况中的影响，从根本上节省材料。