道路橋梁設計中結(jié)構(gòu)化設計的應用研究

李繼軍

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

0 引言

在工程設計工作發(fā)展過程中，道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計將其帶入到了一個全新的發(fā)展空間。作為社會建設發(fā)展中的重要運輸載體，道路橋梁工程對一個地區(qū)的經(jīng)濟建設速度將會產(chǎn)生直接影響，因此社會各界也對道橋工程設計與發(fā)展給予了重點關注。其中，結(jié)構(gòu)化設計在眾多道路橋梁工程設計方法中是一項十分重要的工作?？茖W完善的結(jié)構(gòu)化設計方法不僅可以提高道橋工程整體質(zhì)量，并且還可以有效提高整體施工效率。由此可見，對道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計進行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計的重要性

1.1 滿足當前社會發(fā)展需求

與傳統(tǒng)道路橋梁工程設計方法相比，結(jié)構(gòu)化設計能夠?qū)こ碳毠?jié)部分進行優(yōu)化，還可以在當前技術條件和建設環(huán)境基礎上對工程進行優(yōu)化設計，從而提高道橋工程整體施工質(zhì)量，高質(zhì)量地完成預期建設目標[1]。結(jié)構(gòu)化設計從專業(yè)層面來看，是建筑領域中一種創(chuàng)新理念設計，設計人員必須具備較高的綜合素養(yǎng)，在實際設計過程中，設計人員不但要具有較強的專業(yè)基礎知識，同時還要擁有豐富的道路橋梁工程設計經(jīng)驗。從當前結(jié)構(gòu)化設計發(fā)展情況看，在道路橋梁工程建設中的應用已獲得了初步效果，多樣化的社會發(fā)展需求也得到了滿足。

1.2 滿足道橋工程未來設計發(fā)展趨勢

從道橋工程結(jié)構(gòu)化設計角度看，不僅是創(chuàng)新設計理念，同時也是技術方面的創(chuàng)新。在具體操作期間需要利用BIM 技術和云計算技術來展開工作。在道橋工程具體建設過程中，人們提出了多樣化的功能要求，對此結(jié)構(gòu)化設計需求也在持續(xù)增加。在這樣的發(fā)展背景下，結(jié)構(gòu)化設計就要求相關設計人員必須滿足各方面的綜合要求，在此基礎上還要從不同的角度來控制設計風險，在施工材料購買、項目結(jié)構(gòu)設計以及規(guī)?？刂频确矫孢M行規(guī)劃。當整體結(jié)構(gòu)設計完畢之后，還需要利用力學知識來對結(jié)構(gòu)化設計展開研究。和傳統(tǒng)道路橋梁工程結(jié)構(gòu)設計相比，結(jié)構(gòu)化設計可以對設計方案進行深入優(yōu)化，是未來道路橋梁工程設計的主要發(fā)展方向。

1.3 提高了道橋工程施工的可行性

在道路橋梁設計過程中，不僅需要保證設計工作的嚴謹性，而且需要從不同的角度對其進行分析，設計與施工銜接工作要落實到位[2]。另外，結(jié)構(gòu)化設計的順利開展需要設計人員結(jié)合建設環(huán)境來進行靈活設計，在提高道橋工程施工質(zhì)量的基礎上，對結(jié)構(gòu)化設計方案中的風險進行有效識別，以此來確保道路橋梁工程施工更加合理。除此之外，設計人員還需要結(jié)合工程實際情況與應用范圍，對結(jié)構(gòu)化設計的合理性進行充分研究，確保工程各項應用技能都可以得到明顯提高。

2 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計原則

2.1 穩(wěn)定性

確保道路橋梁工程的穩(wěn)定性是開展結(jié)構(gòu)化設計的根本目的，也是道路橋梁工程設計所要遵循的基本原則。伴隨著我國道路交通運輸量的不斷增加，道路橋梁工程在日常運營期間所承受的載荷也在不斷增加。所以，道路工程結(jié)構(gòu)化設計在具體開展過程中必須全面分析其結(jié)構(gòu)受力的均勻性與耐久性，以此來確保建筑工程整體結(jié)構(gòu)具有較強的穩(wěn)定性。

2.2 綜合性

道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計具有較強的復雜性，在實際設計過程中，除了要重點關注自身結(jié)構(gòu)設計之外，還需要合理挑選施工材料，針對不同的道路橋梁工程結(jié)構(gòu)來選取與之性能相匹配的高質(zhì)量建筑材料，在此期間要合理選擇截面形式，以此來減輕橋梁自重，獲取最佳的設計方案。

2.3 整體性

道路橋梁工程結(jié)構(gòu)化設計必須要從整體層面分析，在提高工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎上，強化特殊構(gòu)件以及對應部位的相關設計，比如：橋墩、樁基以及軟基等等，在此基礎上保證對應構(gòu)件設計的科學性，提高道路橋梁工程整體穩(wěn)定性的同時來減少施工成本[3]。

2.4 連續(xù)性

近些年，隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，在無形之中也加大了交通運輸量，道路橋梁工程建設項目也隨之增加。在快速發(fā)展的同時，也使工程運行壓力不斷加大。面對這樣的問題，要想提高工程項目的總體性，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則需要在結(jié)構(gòu)設計過程中，根據(jù)工程項目的具體情況來提高建筑結(jié)構(gòu)的持續(xù)性。此外，在道路橋梁工程實際設計過程中，在受力的影響下，受力面積會不斷擴大，并且傳輸途徑會適當減小。同時，結(jié)構(gòu)化設計還需要滿足結(jié)構(gòu)合理、材料節(jié)約以及施工便利等基礎條件。在此基礎上，能夠提高道路橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

3 道路橋梁設計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的應用案例分析

3.1 工程概況

我國某市為了緩解城市中心交通壓力，原計劃在市中心地段二環(huán)與三環(huán)之間修建一條環(huán)形高架橋，具體工程情況如圖1所示。此高架橋面為雙向四車道，全長共26.3km，橋身最大跨度為17.8km，高架橋最高車速限定為80km/h，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度看，整體抗震等級為七級。道路橋梁工程整體全部采用的是高架結(jié)構(gòu)，在二環(huán)與三環(huán)原有道路基礎上開展施工，橋梁工程占據(jù)著整個工程項目的絕大部分。

圖1 某市環(huán)路高架橋平面示意圖

此工程項目建設的目的是有效緩解城市交通壓力，橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量不僅直接影響著道路交通的組織優(yōu)化，同時還決定著工程施工造價成本。施工方在進行綜合考慮之后，決定使用結(jié)構(gòu)化設計方法來提高工程結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性。

3.2 樁基設計

在此次工程設計中，工程設計部門在前期地質(zhì)勘察期間發(fā)現(xiàn)，此次工程地基類型為軟土地基，并且地層結(jié)構(gòu)也較為復雜，為了避免在后期施工期間發(fā)生不均勻沉降問題，施工單位選用了樁基形式來從整體提高地基的穩(wěn)定性以及最大載荷承受能力。

在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，道路建設時間較早，并且地下管線分布十分復雜，為了提高施工質(zhì)量與施工效率，針對樁基設計選擇了三種設計方法，分別是：預制鋼筋混凝土打入樁、鉆孔灌注樁、PHC 樁。在此期間，為了使工程能夠按照預期進度完成，很多管線走向都明確提出需以預制鋼筋混凝土打入樁和PHC 樁為主，在施工地基管線較為復雜的地段，主要選用的是鉆孔灌注樁的方法，這樣可以避免對土層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

此次工程中，這三種樁基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案如下：首先，PHC 樁在工程樁基設計中，當樁尖基礎力層超過30m 時，主要利用的是PHC 樁基模式，這樣可以有效提高樁基的承載能力。因PHC 樁單樁承載力可以高達3000kN 以上，并且具有十分良好的經(jīng)濟性，滿足道路橋梁工程設計的經(jīng)濟適用性以及穩(wěn)定性。其次，在預制鋼筋混凝土打入樁設計中，保證其基本抗震能力為七級，同時還要具備良好的載荷承受能力。樁頂與承臺連接具體如圖2所示。

圖2 樁頂與承臺連接設計

經(jīng)過具體分析可以得知，最終樁身混凝土的強度等級為C30，單樁承載能力達到了1100kN，打入樁長度在30～50m，設計方案中的斷面尺寸長度為450mm×450mm。最后，針對鉆孔灌注樁進行分析可以得知，它屬于一種較為傳統(tǒng)的樁基設計模式，目標工程樁基在設計期間，主要是在滿足工程地理位置與橋梁整體情況的基礎上，在地下管線設置較為復雜的地段應用兩種不同直徑的鉆孔灌注樁，單樁承載力設計可以達到2500～300kN。

3.3 橋墩設計

在此項工程結(jié)構(gòu)化設計過程中，設計單位對工程橋墩部位進行了重點優(yōu)化，保證橋墩施工能夠滿足高架橋承載要求，同時不會對地面行駛的汽車造成不利影響。通過分析計算可以得知，滿足標準要求的橋墩承臺設計寬度為14m，厚度為3m，橋墩蓋梁結(jié)構(gòu)采用的是T 型設計方案，材料選取的是預應力混凝土結(jié)構(gòu)，在此基礎上對其懸臂長度設計成了6.4m。

另外，在設計期間，一部分蓋梁高度會隱藏在梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在滿足橋墩外觀簡潔性的基礎上，也合理減少了橋墩自重，加強了橋墩的承載力與穩(wěn)定性。除此之外，考慮到在此次道路橋梁工程設計期間，會在相應的減速下橋區(qū)域影響下導致橋面有所加寬，并且標準橋墩很難滿足加寬區(qū)域橋梁的有效支撐力。

所以，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性達到整體強度標準，結(jié)構(gòu)化設計就需要對橋墩部位進行合理優(yōu)化，改造成門式橋墩結(jié)構(gòu)。在實際設計過程中，即在地面機動車與非機動車隔離帶處各設置一個立柱，使其能夠?qū)蛎嫱貙挼牟糠诌M行有效支撐，以此來提高橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

在此基礎上，這樣的設計也可以有效減少對道路行駛車輛所造成的影響。但是，需要重點說明的是，在此次工程結(jié)構(gòu)化設計中，從一定角度看，也是對橋梁結(jié)構(gòu)上部進行優(yōu)化，并對現(xiàn)澆層結(jié)構(gòu)層次和主梁形式進行了綜合比較，設計單位從整體上對橋梁結(jié)構(gòu)進行了相應的優(yōu)化設計，通過對比施工設計優(yōu)化前后結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過結(jié)構(gòu)化設計之后，本次工程橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性得到了明顯提升，并且工程造價也大幅度降低，故此結(jié)構(gòu)化設計具有良好的優(yōu)化效果。

4 加強道路橋梁結(jié)構(gòu)化設計的應用要點

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)化設計模型

道路橋梁結(jié)構(gòu)在具體設計過程中，需要充分利用現(xiàn)有技術來對設計模型進行優(yōu)化，以此來滿足道路橋梁工程的設計標準。在此過程中，可以對道路橋梁工程展開離散化設計，這樣的結(jié)構(gòu)設計方案可以對道路橋梁工程整體性能進行優(yōu)化，還能變自由度為有限自由度。但是在實際離散化期間，設計人員必須要確保結(jié)構(gòu)計算的精準度，這樣才能使整體結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。其次，對道橋工程結(jié)構(gòu)模型也要進行合理設計，設計人員需要在力學計算基礎上，來計算道路橋梁工程的靜荷載，結(jié)合相關參數(shù)內(nèi)容完成結(jié)構(gòu)化建模。在材料和荷載角度兩個方面，利用精準計算與分析，來保證道路橋梁施工質(zhì)量可以滿足預期的方案要求[4]。

4.2 選取科學合理的計算方法

通常情況下，道路橋梁結(jié)構(gòu)化設計往往伴隨著大量的計算工作，所以選擇科學、合理的計算手段，可以有效減少計算結(jié)果的誤差。在此過程中，首先在具體建模分析中，選擇合適的比例尺，利用垂直軸與水平軸對實際施工情況進行精準計算。隨后，還要利用數(shù)學領域的極限方法來計算工程參數(shù)函數(shù)值，在此過程中同步做好同態(tài)設計度量計算工作。

同態(tài)設計度量計算與極值設計方法相類似，二者共同之處是利用函數(shù)不等式來進行方程計算，此方法可以有效簡化計算流程，提高計算精度與計算效率。

4.3 加強工程防水性能

通常情況下，外界環(huán)境因素會對道橋工程應用造成一定的影響。由于我國很多地區(qū)的天氣情況十分惡劣，對道路橋梁工程質(zhì)量帶來了嚴重威脅。從施工情況看，防水施工已成為道路橋梁工程建設期間最為關鍵的內(nèi)容，在一定程度上防水性能的好壞直接影響著整體工程質(zhì)量。因此，在具體結(jié)構(gòu)化設計期間，設計工作人員需要對防水結(jié)構(gòu)進行嚴格監(jiān)督，以此來保證結(jié)構(gòu)的可行性，使工程項目具備良好的防水結(jié)構(gòu)。從當前實際應用范圍的分析中可以得知，道路橋梁工程中的防水結(jié)構(gòu)主要分為兩種類型，分別是防水工程與排水工程，在實際設計過程中，設計人員需要采取科學有效的措施來減少澇漬問題，處理好道路橋梁工程的積水和積雪，優(yōu)化排水設計。

此外，在具體施工中也出現(xiàn)了各種各樣的施工材料，施工人員可以選取一些性能良好的施工材料應用在道路橋梁工程的表面，根據(jù)道路橋梁工程的具體特點制作出防水層，以此來提高道路橋梁工程的整體防水性能，延長工程使用期限[5]。

4.4 按照科學比例配置混凝土材料

由于混凝土材料成本較低，在工程建設期間的施工工序簡單便捷，所以一直被應用在各大類型建筑工程中。在道橋工程具體設計期間，混凝土材料是其必不可少的組成部分，為了有效加強道路地基和橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在混凝土設計與施工期間，設計人員通常會適當增加混凝土結(jié)構(gòu)的厚度，這樣可以對橋梁工程中的鋼筋結(jié)構(gòu)起到很好的保護作用。

此外，混凝土材料質(zhì)量也會影響施工的安全性，所以設計人員需要從材料性質(zhì)角度出發(fā)，在具體配置過程中結(jié)合業(yè)內(nèi)相關部門的需求，對混凝土材料進行科學配比，進而提高整體工程的材料質(zhì)量。然而，在部分道路橋梁工程項目中，部分建筑單位為了獲取可觀經(jīng)濟效益，經(jīng)常選擇一些強度較低的混凝土材料，進而導致道路橋梁建設工程質(zhì)量無法滿足標準要求。所以在材料設計與配比時，也需要提高混凝土項目應用的合理性，從而提高工程整體質(zhì)量。

5 結(jié)語

綜上所述，道路橋梁工程在我國經(jīng)濟建設以及交通運輸行業(yè)發(fā)展過程中，都十分重要。伴隨著道路橋梁工程建設項目數(shù)量的不斷增加以及建設規(guī)模的不斷擴大，工程設計也在隨著技術的創(chuàng)新而不斷發(fā)展。在當前道路橋梁工程設計過程中，結(jié)構(gòu)化設計方法具有十分良好的優(yōu)勢，并且其應用效果也得到了建筑行業(yè)的高度認可。但是從整體方面來看，依然存在很多不足之處，特別是一些技術細節(jié)沒有得到充分優(yōu)化，導致結(jié)構(gòu)化設計期間出現(xiàn)了各種施工問題。所以道路橋梁工程相關部門需要重點加強結(jié)構(gòu)化設計方案的優(yōu)化，以此來提高工程的整體質(zhì)量與安全性。