基于施工角度的桥梁结构优化设计分析

摘 要：改革开放以来，我国经济得到了飞速发展，由此带动了交通运输和公路等行业的发展和进步；随着人们生活水平和社会生产水平的跨越式提高，我国道路和交通承载着巨大的压力，由此交通业中现代桥梁的建设得到人们的广泛关注。文章主要对现代桥梁结构优化设计的必要性及其在现代桥梁设计中的有效应用进行简要阐述。

关键词：结构优化；现代桥梁；设计

引言

在现代桥梁设计过程中，对结构的设计应该在遵循基本原则的前提下对传统设计方法进行改进，这就需要相关设计人员在设计过程中，除了考虑结构的基本效能，还应该将优质的设计成果作为设计目标。一般来说，由于现代化结构设计秉承了安全、实用和经济的原则，能够解决传统设计方法中的各种问题，由此现代化结构设计在道路现代桥梁结构设计中的应用有着广泛的前景，通过结构优化设计可以有效解决现代桥梁设计中存在的一些问题。

1 现代桥梁中进行结构优化设计的必要性

1.1 现代化建设需要结构优化设计

一般来说，传统的现代桥梁设计主要流程包括以下几个方面：首先，设计师在设计方案之前对前人的经验和实践成果进行收集并加以借鉴，根据经验对初始的设计方案进行判断和制定，主要包括选择材料、整体布置、制造工艺的安排和结构尺寸的规定等方面任务；其次，根据各方面情况对结构进行分析；最后利用力学分析的方式，对结构是否可行进行分析和判断，并且根据实际情况对结构进行修改和完善。由此我们可以明确，传统的设计方法只能够对简单的现代桥梁进行设计，并且只能够对施工方案的可行性和安全性进行保证，无法使工程进行优化设计，难以满足日益复杂化的道路现代桥梁结构设计的要求。而现代化结构设计不仅有利于现代桥梁工程的设计方案优化，保障工程的质量水平，也能够保证现代桥梁工程的使用价值和经济效益并行。因此，进行结构优化设计尤为重要。

1.2 结构优化设计是现代桥梁设计方法的最优选择

与传统的现代桥梁设计方法相比而言，结构优化设计方法主要是由自动向下细化、模块化和结构优化程序设计等程序化设计发展演变而来的，其主要思路是将设计分为具有单一功能且相互独立的模块结构，在结构优化设计中主要有两种设计方法，一种是详细设计，一种是概要设计，而这两种设计方法都是通过结构图对设计阶段进行描述的。例如，桥头搭板的结构设计在现代桥梁工程应用过程中，不仅对搭板宽度、厚度和长度进行了适当的调整，对搭板的埋设深度也进行了科学的计算和调整，从而实现相对优越的桥头搭板结构。结构优化设计通过充分利用计算机对现代桥梁进行设计，可以更加简便地运算出结构优化设计的相关数据，并且计算机计算的数据准确度较高，促使设计的结果与现实中的实物更加接近，从而保证道路现代桥梁设计不会出现可避免的错误。在现代化现代桥梁设计中，加强结构优化设计不仅能够满足现代桥梁快速发展的需求，也是现代桥梁设计方法的唯一最优选项。

2 结构优化设计的计算模型

2.1 离散化结构

在现代桥梁结构设计中，应将结构的无限自由度进行转化，最终转化为有限的自由度，这样便可以将一个复杂的整体分为有限部分，这就是对整体结构进行离散化的划分。离散化结构设计所形成的离散化结构不仅能够对受力状况进行有效分析，还能够使设计施工简单化。

2.2 模型化结构

现代桥梁的结构设计中，在转化结构的自由度的同时，还应该对不同结构的内在规律进行分析，在分析过程中采用的原理主要是力学原理，在结构优化具体设计过程中不仅能够抓住主要矛盾对结构进行模型化处理，还能够通过模型化结构的处理使整个设计变得更加具体，使整个施工过程能够顺利进行和高质量完成。在结构优化设计中，一般是将结构的材料假设为具有理想弹性的、具有理想塑性的或者具有理想弹塑性的，并且将无限自由度随机载荷作为有限参数进行模拟。这样，模拟过程与实际过程相比较而言，模拟过程的材料和荷载在计算时就会变得更加简单。

2.3 简化的材料和荷载

结构优化设计通常会假设结构的材料具有理想塑性和理想弹性的，并且使用有限的参数对无限自由度进行随机荷载的模拟。这些有限的参数可以是具有概率特征的参数，也可以是解析式的参数，结构优化设计使材料和荷载在计算时变得更加简化，也有利于更好地进行施工前的结构设计。当然，任何情况下的假设都不能与实际偏离，最终的目的是保证假设结果能够与实际吻合，这就必须考虑计算模型的选择，保证所选取的计算模型能够真正反映出现代桥梁结构的实际受力情况，参照多方面影响因素进行具体分析。

3 结构优化设计的一般解法

3.1 图解法

一般情况下，对于二维问题的解决采用的基本上都是图解法。利用图解法解决二维问题主要是将一个设计变量作为横坐标，将另一个设计变量作为纵坐标，由此做出符合两种约束条件的曲线图形，从图形和约束条件中可以确定上界和下界的约束范围，并且在确定了约束范围之后，可以在约束范围之内做出相应的目标函数的等值线，这时，函数目标等值线与可行区域的外界是相切的，而这切点就是目标函数值，即所需要求的目标值。

3.2 函数极值的计算

在计算函数极值的过程中，应该首先将约束不等式转化为等式形式，其次将目标函数中的变量进行消除，这样目标函数便成为只含有一个变量的函数，最后求出函数的最大值和最小值，从而达到结构优化的设计目标。

3.3 同态设计准则

在结构优化设计中进行同态设计主要是指以某些破坏形态同时出现作为最优设计的依据，对现代桥梁进行结构优化设计。在同态设计中，首先是利用等式约束对不等式约束進行替换，以达到缩小可行设计空间的目的，而设计空间的缩小，不仅能够得到只能劣于原问题的解，而且在约束为独立且约束数大于变量数的时候，同态设计可以是无解的，但是原问题依然是有解的。在实际工程中却存在着大量结构构件，当这些构件受压时便可以采用同态设计准则对这些构件进行处理。在处理过程中，如果问题的约束数和变量数是相等的，那么优化设计便只能作为一组代数方程进行求解；如果约束数是大于变量数的，那么在设计过程中便可以根据设计者的经验对约束进行必要的删除，从而区分出主动约束和被动约束，在解出变量之后，再将删除的约束进行检验；如果约束数小于变量数，那么应该首先对变量之间的关系进行排查和寻找，以此来补充约束方程。

3.4 网络搜索法

在结构优化设计中，网络搜索法是最直观、最原始的方法，通过这种方法可以将问题在一定的范围之内划分为多个网格点，而每个网格点所代表的设计是不同的，所以在搜索时应该按照一定的规律进行，最终找出代表最优解的网格点。采用网络搜索法对道路现代桥梁进行设计时，必须首先对一个变量进行固定，然后对其他变量进行验算，验算是由小到大的顺序进行的，这样才能够保证所有的点都能满足约束条件。

4 结构优化设计在现代桥梁设计中的应用原则

首先，结构优化设计在现代桥梁设计的应用过程中应该对刚度配置和截面形式进行科学合理的配置，对位移和内力的分布调整进行合理化设计，以此减轻结构的重量；其次，在结构优化设计过程中应该简单和直接地对力的传递路线进行布置，这样不仅能够减少施工过程中的材料使用量，还能够促使外荷载的平衡，从而减轻结构的重量；再者，在道路现代桥梁的结构优化设计中，应该遵循连续性的原则，尽量使现代桥梁结构的每一个部分组成一个整体，这样，不仅能够促进力的传递路径的简单化，还能够使结构的受力范围增大，从而达到节约成本的效果；最后，在结构优化设计中还应该对主要受力构件的性能进行深入研究，使构件在应用过程中充分发挥其潜力，为了减少主要的受力杆数量，还应该对结构的各种使用情况进行设计。

5 结束语

现代桥梁的建设对于促进我国经济发展有着举足轻重的作用，要想完善我国的交通建设，必须加强现代桥梁的建设和设计工作的管理，使得建设完成的每一条道路和每一个现代桥梁都能够经得起时间的考验。结构优化设计在现代桥梁设计中的应用为现代桥梁工程的质量、安全性和经济性都提供了一定的保障，因此，在现代桥梁设计中有效应用结构优化设计是必要的。

参考文献

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作者简介：陈明（1981，8-），男，河南郑州人，本科，工程师，研究方向：铁路施工。