大跨度桥梁结构优化设计综述

2015-04-16肖勃

建材与装饰 2015年24期

关键词：拉索跨度结构设计

肖勃

（重庆市设计院重庆市 400015）

大跨度桥梁结构优化设计综述

肖勃

（重庆市设计院重庆市 400015）

我国交通事业的快速发展带动了大跨度桥梁施工工程的进步，且其的安全运营直接影响着整个交通运输事业的顺利发展。现阶段，不断增多的大跨度桥梁工程数量致使其结构形式逐步向多样化、复杂化发展。但随着大跨度桥梁使用年限的增长和运输量的增多，导致桥梁结构出现了或多或少的问题，因此，建筑企业必须对大跨度桥梁结构实行优化设计，进而避免相关质量问题及安全问题的出现，促进我国交通事业的平稳发展。本文简单分析了大跨度桥梁的定义，并详细介绍了大跨度桥梁结构优化设计的要求及其具体的优化设计。

大跨度桥梁；结构；优化设计

引言

目前，随着我国桥梁技术的不断进步，对桥梁结构设计的要求也在逐渐变高，且其在建设过程中应遵循安全、适用、经济的基本原则，促进桥梁结构设计的优化。传统的桥梁结构设计一般采用定值设计方法，但其既不能很好的描述并处理桥梁结构中客观存在的不确定因素，也无法对安全、适用、经济方面的各项指标进行定量的分析计算，甚至无法科学合理的协调指标间的矛盾，进而使其无法达到平衡的状态。随着社会的快速发展，传统的结构设计方式已无法满足现今大跨度桥梁结构设计的需求，因此，加大对大跨度桥梁结构优化设计的研究与分析至关重要，并在此基础上采用适宜的技术参与施工建设，从而最大限度的提升我国大跨度桥梁结构设计水平。

1 大跨度桥梁概述

我国的大跨度桥梁通常处于公路交通运输枢纽的重要位置，是道路生命工程的关键组成部分。随着我国社会经济的快速发展，大跨度桥梁进入了一个新的发展阶段，其形式结构逐渐向多样化、复杂化发展。虽然目前我国的桥梁技术已经能够很好的解决大跨度桥梁中出现的问题，但随着桥梁跨度的逐渐增多，并向着更长、更大、更柔的趋势发展，出现的问题也在不断的增加。在这种情况下，为了更好地保证大跨度桥梁建设的可靠性、耐久性、行车的舒适性、施工的简易性以及外表的美观性，桥梁的施工人员应加大对其结构设计的优化与施工质量的强化力度，进而更好地发展我国的大跨度桥梁结构。

2 大跨度桥梁结构优化设计的要求

2.1 安全性

在进行正常的桥梁结构施工及使用时，桥梁结构需承受各种可能出现的压力，这些压力主要包括振动过程中的恢复力、荷载引起的内力以及由约束变形、外加变形所引起的内力。且桥梁结构在设计中规定的偶然事件发生的全过程，依旧需要保持施工要求的整体稳定性，从而避免发生桥梁结构的倒塌或连续破坏的状况。

2.2 适用性

大跨度桥梁结构在进行正常的使用时，具备良好的工作性能，其可以很好的防止结构产生过大的变形现象或者产生宽度过大的裂缝，进而避免正常使用时振动状况的发生。

2.3 耐久性

在对大跨度桥梁结构进行正常的定期维护时，需具有一定程度的耐久性能，其中包括不发生混凝土的严重风化和钢筋锈蚀等现象。系统结构在工程规定工作环境和预订时期内，其材料性能的恶化不会使桥梁结构发生无法接受的失败概率，这就是所谓的足够的耐久性能。从工程概念的角度来说，足够的耐久性有不同的解释，即为在正常维护条件下，桥梁结构可以使用到设计中规定的年限。结构的安全性、适用性及耐久性共同构成了其可靠性。所谓桥梁结构的可靠性，就是在规定的时间和条件下，完成结构的预订功能的能力。且结构设计余量的增大，可以有效改善结构的可靠性，但这种方式会提高工程结构的造价，不符合经济性的要求。因此，桥梁结构的设计应依据实际的工程情况，做好结构可靠性和经济性之间的矛盾处理，从而真正的做到经济合理。

3 大跨度桥梁结构优化设计

大跨度桥梁建设存在难度系数高、施工项目复杂、施工环节较多、施工工期相对较长等特点，因此，为了使整个工程达到最优的状态，并保证大跨度桥梁建设工程的顺利竣工，需注意以下几个方面的处理：

3.1 局部优化

局部最优虽然不能与整体最优等同，但它却不仅对整体最优有益，还可以推动桥梁结构的发展。基于局部的优化设计变量相对较少，其研究难度也得到了最大限度的减小，这使得对其研究的深度更加的透彻。现阶段，我国对大跨度桥梁的局部结构优化研究已包含到大跨度桥梁结构设计及施工的整体过程。

3.2 加劲梁横截面的优化

目前，钢梁、混凝土梁、混合梁以及叠合梁是我国主要的大跨度桥梁中的加劲梁。依据对全世界已建成的大跨度桥梁的统计，斜拉桥及悬索桥的跨度分别排在世界排名的前12位，其主跨加劲梁形式大多为钢梁，钢与混凝土结合梁以及混凝土梁的应用相对较少且其跨度较小。

3.3 斜拉索或主缆的动力优化

现阶段，我国的大跨度桥梁主要有斜拉桥、悬索桥和其他的一些新型桥梁样式。虽然这些桥梁的称谓不同，作用和施工方式也不同，但却有一个共同的特点，就是这些桥梁都是由缆索支承的，且其桥面较柔，属于柔性结构。在外部因素的激烈影响下，拉索极易产生意想不到的大幅度震动，这些大幅振动会推进拉索锚固端的疲劳，并在一定程度上降低拉索的使用寿命，严重时甚至会严重威胁桥梁结构的安全和质量。因此，大跨度桥梁的动力问题就显得尤为重要。

3.4 索力调整优化

随着桥梁跨度的逐渐增大，其收缩徐变以及非线性条件等方面的影响会越来越显著，但最终控制主梁应力和线形的直接因素依旧是斜拉索力和施工时的立模标高，因此，确定合理索力对斜拉桥的材料用量及结构安全性是保证桥梁结构质量的基础。目前，国际桥梁界对于索力调整的理论研究主要集中确定为以下几个方面：①指定受力或位移状态下的索力优化。②无约束的索力优化。③有约束的索力优化。④影响矩阵法。

3.5 索塔的结构优化

索塔的优化主要是塔高及受力合理性方面的优化。若塔太高，则会给施工带来一定的困难，进而增加施工工程造价。而塔太矮，就会降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索间的受力。因此，单独优化塔高是一种不经济的行为，在这时，应全面的、综合的塔高与其他部分的优化。

3.6 桥墩及基础优化

桥墩是大跨度桥梁的主要受重部分，桥梁建设技术与桥梁建设材料的选用直接影响着桥梁的整体施工质量，且在桥墩施工开始前，应系统的考察桥梁选址附近地区的地质条件、水温以及水文等因素，并在考察得出的大量数据的基础上进行相应的优化处理。

3.7 大跨度桥梁结构拓扑优化

随着我国社会经济的快速发展，我国大跨度桥梁结构的优化设计也得到了相应的发展。目前，虽然我国对结构优化设计的研究已从尺度优化逐渐转为形状优化及拓扑优化，但在大跨度桥梁结构的优化研究却还停留在尺寸优化层次。现阶段，我国主要的拓扑优化方式有以下四种：离散化连续体优化准则法、遗传算法、均匀化方法、渐进结构优化技术，其中，渐进结构优化技术是目前大跨度桥梁结构中使用最为广泛的一种优化技术，它具有概念简洁和计算效力较高等特点，并因此得到了桥梁施工企业的大力重视。但目前我国的大多数工程都是由混凝土和钢材组成的，且混凝土具备较高的抗压强度，而钢材具备良好的抗拉性，所以，我国对拓扑优化设计的研究还正处于开始阶段，有许多未知的问题还没能得到较好的解答。