可靠度的桥梁结构优化设计

李 波 张 维

中交公路规划设计院有限公司浙江分公司，浙江杭州 310009

随着经济的发展和社会的进步，我国的科学技术水平也得到了明显的提高，在很多行业领域都出现了新的技术和工艺，有力地推动了我国的现代化进程。在此背景下，作为重要基础设施的桥梁工程建设也需要从设计以及施工等方面全面提高其技术和能力。桥梁结构的传统设计方法中存在一些不合理性或者不科学的问题，这些问题直接影响了桥梁建设工程的施工质量，造成部分桥梁运营过程中发生质量安全问题，影响桥梁的使用寿命，无法完全发挥桥梁应有的作用。因此设计人员必须突破和创新设计理念，提高桥梁结构的合理性和科学性，才能保证桥梁结构的安全性和可靠性，为桥梁的施工质量、安全运营以及延长其使用寿命奠定良好的基础。

1 桥梁工程的可靠度结构设计

随着设计理念的更新，在桥梁结构的设计中要综合考虑其可靠度和经济性这两方面的需求。可靠度除了要保证设计方案的可靠性外，还要保证桥梁在耐用性以及安全性等方面也要实现可靠度。而在设计中还要综合考虑方案的经济性，在保证桥梁结构可靠度的基础上，优化设计方案，从而对投入的建设成本进行优化控制。

桥梁结构的可靠度结构优化具有设计目标多元化、约束条件多重性的特点，使得结构设计具有一定的不确定性。因此在设计中要综合考虑所有相关因素，并运用现代化的设计理念以及设计方法来优化设计方案，提高桥梁结构的可靠度。设计中既要考虑施工中将涉及到的所有参数，还应考虑施工材料的选择，以及施工进度和施工质量的控制管理。同时还要合理投入对桥梁所需要的资金成本，才能提供给桥梁足够的可靠度，以使得桥梁在规定设计的使用期限以内，可以实现所预期各项功能的要求。

2 可靠度的桥梁结构优化设计水平的划分

桥梁可靠度的结构划分一般可以按照设计变量分成4个水平层次。第一级是将截面尺寸作为设计变量，也就是对截面进行优化设计。第二级是将形状描述的几何尺寸以及截面尺寸作为设计变量，也就是对形状进行优化设计。第三级是将桥梁结构的特征参数，以及形状描述中的几何尺寸和截面尺寸作为设计变量，也就是对桥梁结构进行优化设计。第四级是将材料特征参数与结构特征参数以及形状描述的几何尺寸和截面尺寸均作为设计变量，也就是对其总体进行优化设计。

3 可靠度的桥梁结构模型设计

设计桥梁结构时要实现可靠度的优化设计需要从每个构件入手，对其进行合理优化，并综合考虑经济性因素，才能真正提高其可靠度。因此在设计优化中，就需要将整体的优化向层次性的优化进行转变，这样可以有效提高设计的合理性，实现可靠度与经济性方向的需求。

桥梁基于可靠性的结构优化设计，一方面，结构设计的概率论和数理统计原理的引入，并充分考虑到设计参数的随机性和不确定性的材料、施工质量，使人们有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科学地描述结构的安全可靠程度；另一方面，考虑最低的成本，来达到规范要求的技术指标，以达到最佳的经济效益。

3.1 优化桥梁结构的可靠性配置

设计桥梁结构时，如果其他约束条件不存在，就应建立相关数学模型来优化桥梁结构，保证结构的可靠度。在桥梁结构优化配置模型里，可以通过目标函数W＝C＋L（式中，W为目标函数；C为结构造价；L为结构的损失期望），来将多目标优化问题转化为单目标优化，从而简化问题。通过对其数学固化求解，可以对各构件可靠度的最优值加以确定。该值必须综合体现桥梁整体结构的近期投资收益以及其长远效益。在决策时，应将投资条件作为所有构件控制指标，使所有构件既是安全的指标，也是经济的指标，从而达到各构件控制标准的最佳值。

3.2 优化可靠度的桥梁结构构件

在设计决策时要综合考虑结构的长远效益以及近期的投资收益。所以对桥梁结构的构件进行变量设计的细部优化中，仅需要在合理造价条件下保证构件能够达到可靠度的规定值。而对构件变量的优化设计要在保证桥梁结构的整体效益的背景下进行。对优化问题进行解决的另一有效途径是找出可靠度与结构造价间合理的、高度精细化的函数表达方式，并计算出构件造价的最佳值。

4 在桥梁结构可靠性设计中需要重点研究的内容

4.1 深入研究桥梁不同结构的具体特点，并对设计模型进行优化

在进行桥梁结构的设计时首先要对其结构特点进行深入的研究，并加强对不同构件间逻辑性的考虑，在可靠度的桥梁结构设计理论中，对于串联系统有比较成熟的研究成果。在设计中要对桥梁结构进行合理划分，使其成为具有串联关系的不同单元。这种单元既可以只包括一个构件，同样也可以是几个构件间所形成的具有混合或者串联关系的组合。合理的单元划分会帮助设计人员简化结构设计。

4.2 深入研究模式失效与失效单元间的关联性

对桥梁结构进行优化设计的关键性问题就是计算其可靠度。因此要充分考虑失效模式以及单元失效间的关联性，以防止出现重大的计算误差。在考虑具有控制性的失效模式时要尽量简化问题，突出主要的矛盾，从而得出可靠度与桥梁造价间的函数关系，并确定对结构失效所造成的损失值进行评估的方法。

4.3 深入研究可靠度的桥梁结构分析以及计算方法

设计时要计算桥梁的结构系统以及构件的可靠度，在选择控制参数优化桥梁结构的设计时，其参数选择应注意要具有较高的综合性，既要能够全面体现结构的要求，还要能够通过这些参数构建起不同构件间横向的约束联系；而且这些参数应具备确定的联系性。

4.4 对桥梁结构的可靠性进行优化设计的参数选择

结构设计中的变量参数将对结构的性能以及可靠度产生重要的影响。变化范围比较小，或者按照构造要求，以及进行局部设计就能够实现的参数，可以将其作为设计中的预设参数，这样可以简化设计、编程以及计算的程序。在设计中要注意，桥梁结构虽然是由不同构件组成，但在优化设计桥梁结构时，应重点从整体性角度出发来考虑，当然如果选择的构件参数不合理，同样会对桥梁的整体功能造成严重的影响。

5 对桥梁结构可靠度产生影响的要素分析

很多因素都会对桥梁结构的可靠性产生影响，这些因素可以主要分为两大类，一类是各种外力作用对桥梁结构所产生的影响。各种外力作用于桥梁结构上，使桥梁支座有反力形成，并且在桥梁结构的内部产生应力，导致桥梁结构出现滑移、变形甚至倾覆。主要的内力有剪力、轴力、扭转力以及弯矩等。主要的变形则表现为转角、扰度以及侧移。这些因素都会对桥梁结构的安全性和可靠性产生不同程度的影响。另一类是在各种外力作用下桥梁结构产生的抗力。影响桥梁结构抗力的因素主要是结构采用的截面形式、材料、结构类型及施工工艺。

目前在国际范围内设计桥梁的结构体系时，对可靠度的数值选择和应用被广泛进行探讨。结构设计的核心需要满足其在功能以及强度上的要求。而国家的资源情况和经济水平、社会财富的积累情况，以及设计施工的能力和水平、建筑材料的质量等都会对桥梁结构的可靠度产生影响。因此在设计中要分析国家的经济以及技术水平，并确定对桥梁使用年限的实际要求，以及桥梁所要实现的功能等，同时还要分析增加桥梁结构可靠度的情况下所需要增加的费用等问题，才能对桥梁结构的可靠度以及安全储备情况进行综合性的分析和评价。由此可见，可靠度的桥梁结构设计也就是在结构造价和投资风险间做出平衡。

目前在桥梁结构的设计中，还缺乏对抗力以及荷载等要素的统计数据积累，因此还无法全面采用全概率的计算和设计方法。需要设计人员不断积累实践经验，注意数据信息的归纳和总结，对可靠度的结构设计优化方法加以完善。

6 结语

在桥梁结构的设计中，其设计方法需要从确定性的传统设计方法逐步向概率性的设计方法转变，这将是未来桥梁工程结构设计的主要发展方向之一。桥梁结构所受的各种外力作用及其在外力作用下产生的抗力是存在一定的随机性的，传统上依赖于经验以及直观感觉来对安全系数进行确定的设计方法必须向科学的运用统计学方法转变。通过统计方法来给出在指定的基准期间内桥梁结构发生失效的概率定量，以及具有统一可比性的指标定量，这是在桥梁结构设计理念以及方法上的重大创新。可靠度的优化桥梁结构设计方法具有很高的使用价值和广阔的推广前景。因此设计人员应不断对此进行积极的探索，以结构系统的可靠性以及求解的准确方法为基础，继续深入研究在此约束条件下的数值新解法，进一步提高结构系统的可靠度，保障桥梁工程的质量。

[1] 张军.可靠度的桥梁结构优化设计[J].城市建设理论研究:电子版，2012（6）.

[2] 陈桥阳，何伟，赵勇强.基于可靠度的桥梁结构优化设计[J].建材发展导向:下，2015（3）.