道路桥梁设计中结构化设计的应用研究

李继军

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0 引言

在工程设计工作发展过程中，道路桥梁工程结构化设计将其带入到了一个全新的发展空间。作为社会建设发展中的重要运输载体，道路桥梁工程对一个地区的经济建设速度将会产生直接影响，因此社会各界也对道桥工程设计与发展给予了重点关注。其中，结构化设计在众多道路桥梁工程设计方法中是一项十分重要的工作。科学完善的结构化设计方法不仅可以提高道桥工程整体质量，并且还可以有效提高整体施工效率。由此可见，对道路桥梁工程结构化设计进行深入研究具有十分重要的现实意义。

1 道路桥梁工程结构化设计的重要性

1.1 满足当前社会发展需求

与传统道路桥梁工程设计方法相比，结构化设计能够对工程细节部分进行优化，还可以在当前技术条件和建设环境基础上对工程进行优化设计，从而提高道桥工程整体施工质量，高质量地完成预期建设目标[1]。结构化设计从专业层面来看，是建筑领域中一种创新理念设计，设计人员必须具备较高的综合素养，在实际设计过程中，设计人员不但要具有较强的专业基础知识，同时还要拥有丰富的道路桥梁工程设计经验。从当前结构化设计发展情况看，在道路桥梁工程建设中的应用已获得了初步效果，多样化的社会发展需求也得到了满足。

1.2 满足道桥工程未来设计发展趋势

从道桥工程结构化设计角度看，不仅是创新设计理念，同时也是技术方面的创新。在具体操作期间需要利用BIM 技术和云计算技术来展开工作。在道桥工程具体建设过程中，人们提出了多样化的功能要求，对此结构化设计需求也在持续增加。在这样的发展背景下，结构化设计就要求相关设计人员必须满足各方面的综合要求，在此基础上还要从不同的角度来控制设计风险，在施工材料购买、项目结构设计以及规模控制等方面进行规划。当整体结构设计完毕之后，还需要利用力学知识来对结构化设计展开研究。和传统道路桥梁工程结构设计相比，结构化设计可以对设计方案进行深入优化，是未来道路桥梁工程设计的主要发展方向。

1.3 提高了道桥工程施工的可行性

在道路桥梁设计过程中，不仅需要保证设计工作的严谨性，而且需要从不同的角度对其进行分析，设计与施工衔接工作要落实到位[2]。另外，结构化设计的顺利开展需要设计人员结合建设环境来进行灵活设计，在提高道桥工程施工质量的基础上，对结构化设计方案中的风险进行有效识别，以此来确保道路桥梁工程施工更加合理。除此之外，设计人员还需要结合工程实际情况与应用范围，对结构化设计的合理性进行充分研究，确保工程各项应用技能都可以得到明显提高。

2 道路桥梁工程结构化设计原则

2.1 稳定性

确保道路桥梁工程的稳定性是开展结构化设计的根本目的，也是道路桥梁工程设计所要遵循的基本原则。伴随着我国道路交通运输量的不断增加，道路桥梁工程在日常运营期间所承受的载荷也在不断增加。所以，道路工程结构化设计在具体开展过程中必须全面分析其结构受力的均匀性与耐久性，以此来确保建筑工程整体结构具有较强的稳定性。

2.2 综合性

道路桥梁工程结构化设计具有较强的复杂性，在实际设计过程中，除了要重点关注自身结构设计之外，还需要合理挑选施工材料，针对不同的道路桥梁工程结构来选取与之性能相匹配的高质量建筑材料，在此期间要合理选择截面形式，以此来减轻桥梁自重，获取最佳的设计方案。

2.3 整体性

道路桥梁工程结构化设计必须要从整体层面分析，在提高工程结构稳定性的基础上，强化特殊构件以及对应部位的相关设计，比如：桥墩、桩基以及软基等等，在此基础上保证对应构件设计的科学性，提高道路桥梁工程整体稳定性的同时来减少施工成本[3]。

2.4 连续性

近些年，随着我国经济建设的快速发展，在无形之中也加大了交通运输量，道路桥梁工程建设项目也随之增加。在快速发展的同时，也使工程运行压力不断加大。面对这样的问题，要想提高工程项目的总体性，提高结构的稳定性，则需要在结构设计过程中，根据工程项目的具体情况来提高建筑结构的持续性。此外，在道路桥梁工程实际设计过程中，在受力的影响下，受力面积会不断扩大，并且传输途径会适当减小。同时，结构化设计还需要满足结构合理、材料节约以及施工便利等基础条件。在此基础上，能够提高道路桥梁结构的连续性与稳定性。

3 道路桥梁设计中结构优化设计的应用案例分析

3.1 工程概况

我国某市为了缓解城市中心交通压力，原计划在市中心地段二环与三环之间修建一条环形高架桥，具体工程情况如图1所示。此高架桥面为双向四车道，全长共26.3km，桥身最大跨度为17.8km，高架桥最高车速限定为80km/h，从结构稳定性角度看，整体抗震等级为七级。道路桥梁工程整体全部采用的是高架结构，在二环与三环原有道路基础上开展施工，桥梁工程占据着整个工程项目的绝大部分。

图1 某市环路高架桥平面示意图

此工程项目建设的目的是有效缓解城市交通压力，桥梁结构施工质量不仅直接影响着道路交通的组织优化，同时还决定着工程施工造价成本。施工方在进行综合考虑之后，决定使用结构化设计方法来提高工程结构的整体性与稳定性。

3.2 桩基设计

在此次工程设计中，工程设计部门在前期地质勘察期间发现，此次工程地基类型为软土地基，并且地层结构也较为复杂，为了避免在后期施工期间发生不均匀沉降问题，施工单位选用了桩基形式来从整体提高地基的稳定性以及最大载荷承受能力。

在实际施工过程中发现，道路建设时间较早，并且地下管线分布十分复杂，为了提高施工质量与施工效率，针对桩基设计选择了三种设计方法，分别是：预制钢筋混凝土打入桩、钻孔灌注桩、PHC 桩。在此期间，为了使工程能够按照预期进度完成，很多管线走向都明确提出需以预制钢筋混凝土打入桩和PHC 桩为主，在施工地基管线较为复杂的地段，主要选用的是钻孔灌注桩的方法，这样可以避免对土层结构产生不利影响。

此次工程中，这三种桩基的结构优化设计方案如下：首先，PHC 桩在工程桩基设计中，当桩尖基础力层超过30m 时，主要利用的是PHC 桩基模式，这样可以有效提高桩基的承载能力。因PHC 桩单桩承载力可以高达3000kN 以上，并且具有十分良好的经济性，满足道路桥梁工程设计的经济适用性以及稳定性。其次，在预制钢筋混凝土打入桩设计中，保证其基本抗震能力为七级，同时还要具备良好的载荷承受能力。桩顶与承台连接具体如图2所示。

图2 桩顶与承台连接设计

经过具体分析可以得知，最终桩身混凝土的强度等级为C30，单桩承载能力达到了1100kN，打入桩长度在30～50m，设计方案中的断面尺寸长度为450mm×450mm。最后，针对钻孔灌注桩进行分析可以得知，它属于一种较为传统的桩基设计模式，目标工程桩基在设计期间，主要是在满足工程地理位置与桥梁整体情况的基础上，在地下管线设置较为复杂的地段应用两种不同直径的钻孔灌注桩，单桩承载力设计可以达到2500～300kN。

3.3 桥墩设计

在此项工程结构化设计过程中，设计单位对工程桥墩部位进行了重点优化，保证桥墩施工能够满足高架桥承载要求，同时不会对地面行驶的汽车造成不利影响。通过分析计算可以得知，满足标准要求的桥墩承台设计宽度为14m，厚度为3m，桥墩盖梁结构采用的是T 型设计方案，材料选取的是预应力混凝土结构，在此基础上对其悬臂长度设计成了6.4m。

另外，在设计期间，一部分盖梁高度会隐藏在梁结构内部，在满足桥墩外观简洁性的基础上，也合理减少了桥墩自重，加强了桥墩的承载力与稳定性。除此之外，考虑到在此次道路桥梁工程设计期间，会在相应的减速下桥区域影响下导致桥面有所加宽，并且标准桥墩很难满足加宽区域桥梁的有效支撑力。

所以，为了保证桥梁结构的稳定性达到整体强度标准，结构化设计就需要对桥墩部位进行合理优化，改造成门式桥墩结构。在实际设计过程中，即在地面机动车与非机动车隔离带处各设置一个立柱，使其能够对桥面拓宽的部分进行有效支撑，以此来提高桥梁工程整体结构的稳定性与安全性。

在此基础上，这样的设计也可以有效减少对道路行驶车辆所造成的影响。但是，需要重点说明的是，在此次工程结构化设计中，从一定角度看，也是对桥梁结构上部进行优化，并对现浇层结构层次和主梁形式进行了综合比较，设计单位从整体上对桥梁结构进行了相应的优化设计，通过对比施工设计优化前后结果可以发现，在经过结构化设计之后，本次工程桥梁结构的稳定性和耐久性得到了明显提升，并且工程造价也大幅度降低，故此结构化设计具有良好的优化效果。

4 加强道路桥梁结构化设计的应用要点

4.1 优化结构化设计模型

道路桥梁结构在具体设计过程中，需要充分利用现有技术来对设计模型进行优化，以此来满足道路桥梁工程的设计标准。在此过程中，可以对道路桥梁工程展开离散化设计，这样的结构设计方案可以对道路桥梁工程整体性能进行优化，还能变自由度为有限自由度。但是在实际离散化期间，设计人员必须要确保结构计算的精准度，这样才能使整体结构变得更加稳定。其次，对道桥工程结构模型也要进行合理设计，设计人员需要在力学计算基础上，来计算道路桥梁工程的静荷载，结合相关参数内容完成结构化建模。在材料和荷载角度两个方面，利用精准计算与分析，来保证道路桥梁施工质量可以满足预期的方案要求[4]。

4.2 选取科学合理的计算方法

通常情况下，道路桥梁结构化设计往往伴随着大量的计算工作，所以选择科学、合理的计算手段，可以有效减少计算结果的误差。在此过程中，首先在具体建模分析中，选择合适的比例尺，利用垂直轴与水平轴对实际施工情况进行精准计算。随后，还要利用数学领域的极限方法来计算工程参数函数值，在此过程中同步做好同态设计度量计算工作。

同态设计度量计算与极值设计方法相类似，二者共同之处是利用函数不等式来进行方程计算，此方法可以有效简化计算流程，提高计算精度与计算效率。

4.3 加强工程防水性能

通常情况下，外界环境因素会对道桥工程应用造成一定的影响。由于我国很多地区的天气情况十分恶劣，对道路桥梁工程质量带来了严重威胁。从施工情况看，防水施工已成为道路桥梁工程建设期间最为关键的内容，在一定程度上防水性能的好坏直接影响着整体工程质量。因此，在具体结构化设计期间，设计工作人员需要对防水结构进行严格监督，以此来保证结构的可行性，使工程项目具备良好的防水结构。从当前实际应用范围的分析中可以得知，道路桥梁工程中的防水结构主要分为两种类型，分别是防水工程与排水工程，在实际设计过程中，设计人员需要采取科学有效的措施来减少涝渍问题，处理好道路桥梁工程的积水和积雪，优化排水设计。

此外，在具体施工中也出现了各种各样的施工材料，施工人员可以选取一些性能良好的施工材料应用在道路桥梁工程的表面，根据道路桥梁工程的具体特点制作出防水层，以此来提高道路桥梁工程的整体防水性能，延长工程使用期限[5]。

4.4 按照科学比例配置混凝土材料

由于混凝土材料成本较低，在工程建设期间的施工工序简单便捷，所以一直被应用在各大类型建筑工程中。在道桥工程具体设计期间，混凝土材料是其必不可少的组成部分，为了有效加强道路地基和桥梁结构的稳定性，在混凝土设计与施工期间，设计人员通常会适当增加混凝土结构的厚度，这样可以对桥梁工程中的钢筋结构起到很好的保护作用。

此外，混凝土材料质量也会影响施工的安全性，所以设计人员需要从材料性质角度出发，在具体配置过程中结合业内相关部门的需求，对混凝土材料进行科学配比，进而提高整体工程的材料质量。然而，在部分道路桥梁工程项目中，部分建筑单位为了获取可观经济效益，经常选择一些强度较低的混凝土材料，进而导致道路桥梁建设工程质量无法满足标准要求。所以在材料设计与配比时，也需要提高混凝土项目应用的合理性，从而提高工程整体质量。

5 结语

综上所述，道路桥梁工程在我国经济建设以及交通运输行业发展过程中，都十分重要。伴随着道路桥梁工程建设项目数量的不断增加以及建设规模的不断扩大，工程设计也在随着技术的创新而不断发展。在当前道路桥梁工程设计过程中，结构化设计方法具有十分良好的优势，并且其应用效果也得到了建筑行业的高度认可。但是从整体方面来看，依然存在很多不足之处，特别是一些技术细节没有得到充分优化，导致结构化设计期间出现了各种施工问题。所以道路桥梁工程相关部门需要重点加强结构化设计方案的优化，以此来提高工程的整体质量与安全性。