結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

◎周廣道田帥帥

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度較快，智能技術(shù)已經(jīng)逐漸地應(yīng)用在各個行業(yè)當(dāng)中，與計算機(jī)相關(guān)的軟件技術(shù)也在橋梁設(shè)計中得到了廣泛的使用，如Midas、BIM等設(shè)計，其優(yōu)勢在于能夠從多角度實現(xiàn)對橋梁設(shè)計的優(yōu)化分析。在對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，不僅要對橋梁的質(zhì)量進(jìn)行綜合考慮，而且還需要考慮到實際的施工成本，要對不同設(shè)計所產(chǎn)生的橋梁質(zhì)量影響做深入分析，通過軟件技術(shù)能夠準(zhǔn)確地將實際與橋梁設(shè)計之間存在的差異計算出來。不僅如此，還能夠?qū)Ψ桨杆斐傻牟淮_定性因素準(zhǔn)確地推斷出來，從而進(jìn)一步降低橋梁施工過程中產(chǎn)生的不必要的經(jīng)濟(jì)損失，從而將整體效益進(jìn)行提高。

一、結(jié)構(gòu)化設(shè)計的必要性

1.結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠達(dá)到當(dāng)前社會的需求。

相比于傳統(tǒng)道路橋梁設(shè)計，結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠更加細(xì)致的對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以建設(shè)背景和技術(shù)為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計道路橋梁的結(jié)構(gòu)，從而使道路橋梁施工質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，使建設(shè)目標(biāo)能夠順利完成。從專業(yè)角度來說，在建筑領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)化設(shè)計是新發(fā)展起來的理念，這也對相關(guān)的設(shè)計人員提出了更高的綜合素質(zhì)要求，在設(shè)計時，設(shè)計人員不僅要掌握相關(guān)的專業(yè)知識，而且還要積累相應(yīng)的設(shè)計經(jīng)驗。從實際應(yīng)用情況來看，該設(shè)計方式已經(jīng)在道路橋梁設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用，達(dá)到了當(dāng)前社會發(fā)展的需求。

2.未來發(fā)展趨勢。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計實際是一種設(shè)計理念和技術(shù)的提升，在實際操作過程中需要與BIM技術(shù)、云計算等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，通過模塊化的程序設(shè)計來開展工作。當(dāng)前在開展道路橋梁工程中，人們逐漸地提升了對其功能性的要求，因此也隨之提升了結(jié)構(gòu)化設(shè)計的要求。在此背景下，該設(shè)計方式不僅需要設(shè)計人員熟練的掌握各方面素養(yǎng)，而且還要求設(shè)計人員能夠?qū)υO(shè)計風(fēng)險進(jìn)行有效把控，在選擇建筑材料、控制項目規(guī)模等方面充分的發(fā)揮統(tǒng)籌規(guī)劃能力；在設(shè)計后，還需要運用力學(xué)理論來進(jìn)行可行性研究分析。相比于傳統(tǒng)設(shè)計，結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計方案，使其能夠更加符合社會發(fā)展的需要，因此，道路橋梁設(shè)計未來的發(fā)展方向必將是采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計。

3.結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠提升施工的可行性。

在設(shè)計階段，不僅要開展詳細(xì)的設(shè)計工作，還需要對施工方面進(jìn)行相應(yīng)的可行性分析，將設(shè)計與施工之間的銜接工作做好。結(jié)構(gòu)化設(shè)計需要相關(guān)人員根據(jù)建設(shè)環(huán)境的不同進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，在設(shè)計時，一方面要保證施工質(zhì)量，另一方面還要有效識別方案中存在的風(fēng)險，從而進(jìn)一步提高施工的可行性。此外，為了保證能夠順利開展施工，在進(jìn)行設(shè)計的過程中，設(shè)計人員還需要精確的計算道路橋梁組件的承載力，確保道其承載力能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，設(shè)計人員也需要從實際施工情況、應(yīng)用范圍出發(fā)，深入的研究其安全性和合理性，從而使道路橋梁的各項性能得到大幅度的提高。

二、主要應(yīng)用原則

1.合理性原則。

在城市化建設(shè)過程中道路橋梁發(fā)揮的作用越來越重要，因此，在結(jié)構(gòu)化設(shè)計的過程中要堅持合理性原則，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)。對于設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)的思路，要以科學(xué)為基礎(chǔ)，最大限度的降低道路橋梁的總質(zhì)量，合理優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能。同時，在設(shè)計方面，設(shè)計人員要采用簡單的方式來對荷載進(jìn)行傳遞，從而對道路橋梁承載能力進(jìn)行有效地平衡。

2.整體性原則。

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，設(shè)計人員要具有整體設(shè)計的眼光，應(yīng)重點考慮項目的長遠(yuǎn)發(fā)展，不僅要確保項目設(shè)計達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，還需要從角度來最大限度降低成本，從而使建筑的整體性得到最大限度的體現(xiàn)。例如，在對水密層進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員可以采取將道路與混凝土進(jìn)行共同設(shè)計，從而使兩部分的連接性得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，還能夠極大地提升其延展性和質(zhì)量，今兒使建設(shè)質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高。

3.可靠性原則。

道路橋梁工程直接關(guān)系到城市的發(fā)展和行人的生命安全，因而在實際設(shè)計的過程中，要保證其設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠使受力范圍得到有效地擴(kuò)大，同時還要最大限度縮短傳遞路徑，使道路橋梁工程質(zhì)量得到全面提高。同時，設(shè)計原則還要將結(jié)構(gòu)與材料的應(yīng)用情況在設(shè)計中充分體現(xiàn)出來。我國材料技術(shù)近些年得到了大幅度的發(fā)展，不同的建筑材料對性能和使用范圍有著不同的要求，因此更需要科學(xué)的處理好兩者之間的關(guān)系，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的同時降低選用成本，且盡可能選用綠色環(huán)保的建筑材料。

三、應(yīng)用要點

1.優(yōu)化結(jié)構(gòu)化設(shè)計模型。

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中，需要將當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行結(jié)合來進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計模型，從而使設(shè)計要求更符合當(dāng)前應(yīng)用的需要。首先，進(jìn)行離散化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)ζ湔w性能進(jìn)行有效地改善，還能夠?qū)⒊浞值淖杂啥认蛴邢薜淖杂啥冗M(jìn)行轉(zhuǎn)化。但是在進(jìn)行離散化設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)精確的計算橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的穩(wěn)定性。其次，要進(jìn)行設(shè)計模型結(jié)構(gòu)。設(shè)計人員需要以力學(xué)為基礎(chǔ)將道路橋梁的靜荷載計算出來，根據(jù)參數(shù)內(nèi)容來進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的建模。設(shè)計人員還需要從材料和荷載角度出發(fā)，對其進(jìn)行精確的計算，充分利用各類材料來模擬分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最終使施工質(zhì)量能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.應(yīng)用科學(xué)合理的計算方法。

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要進(jìn)行大量的計算，所以設(shè)計人員就需要對計算方法進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，從而使計算過程中出現(xiàn)的誤差減少。首先，在對建模進(jìn)行分析時，選擇比例尺要足夠的科學(xué)，利用實際垂直和水平軸的情況進(jìn)行科學(xué)的計算，從而將函數(shù)大體上的輪廓圖得到。其次，要充分的運用求極限的方法來對函數(shù)的極值進(jìn)行計算，同時計算好同態(tài)設(shè)計度量。計算同態(tài)設(shè)計的度量與極值方法比較類似，都是利用了函數(shù)的不等式性質(zhì)來進(jìn)行計算的，該方法的應(yīng)用能夠大幅度的降低計算量，將計算流程進(jìn)行簡化，使計算效率得到大幅度的提高。

3.提高道路橋梁的防水性能。

在應(yīng)用道路橋梁的過程中外界環(huán)境因素常常會對其產(chǎn)生影響，特別是在我國大部分的地區(qū)天氣情況比較惡劣，極大威脅到道路橋梁工程的質(zhì)量。從當(dāng)前該行業(yè)的施工情況來看，針對防水結(jié)構(gòu)的施工已經(jīng)逐漸地成為了整個建設(shè)過程中非常重要的組成部分，從另一方面來說，工程的質(zhì)量直接由其發(fā)揮的防水性能來決定，因此，在結(jié)構(gòu)化的設(shè)計過程中，設(shè)計人員必須要細(xì)致的設(shè)計工程的防水結(jié)構(gòu)，同時對其可行性進(jìn)行論證，從而保證道路橋梁達(dá)到良好的防水效果。從目前的應(yīng)用情況來看，排水和防水工程兩方面共同組成了防水結(jié)構(gòu)，在對其進(jìn)行設(shè)計的過程中，必須要采取相應(yīng)的措施，避免道路橋梁發(fā)生澇漬情況，并對道路橋梁路面的積水、積雪進(jìn)行及時處理，科學(xué)的做好相應(yīng)的排水工作。施工時，新型材料也逐漸地被廣泛的應(yīng)用，施工人員可以將具有良好防水性能的建筑材料應(yīng)用在道路橋梁的表面，并通過將道路橋梁的具體特點進(jìn)行有機(jī)結(jié)合制作出相應(yīng)的防水層，從而使其防水性能得到全面提升，進(jìn)一步的延長其使用壽命。

4.合理配比混凝土材料。

混凝土在道路橋梁工程中是最重要的施工材料。由于混凝土材料的來源十分廣泛且所耗費的成本相對比較低，在施工過程中工序簡單便捷，因而一直都是各類大型建筑的主要建設(shè)材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，混凝土材料所發(fā)揮的作用也十分重要，為了保證道路的地基以及橋體的穩(wěn)定，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員通常會將混凝土的厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦黾樱瑥亩行У谋Ｗo(hù)橋體鋼筋。在施工過程中，混凝土的質(zhì)量對項目的安全性和穩(wěn)定性起著決定性的作用，因此在設(shè)計時也需要仔細(xì)的論證所使用材料的穩(wěn)定性。從材料的性質(zhì)來將，鋼筋混凝土屬于的是一種復(fù)合型材料，在對其進(jìn)行配置時要嚴(yán)格按照行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合施工實際情況進(jìn)行科學(xué)的配比，這樣能夠使混凝土的質(zhì)量得到全面提高。在一些項目中，建筑企業(yè)為了能夠獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，通常情況下使用的混凝土強(qiáng)度都比較低，最終導(dǎo)致建設(shè)質(zhì)量達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對其使用壽命和項目造成了嚴(yán)重影響。因此，在設(shè)計與配比材料的過程中，設(shè)計人員要確保應(yīng)用的混凝土項目足夠的科學(xué)，從而將項目工程的整體質(zhì)量進(jìn)行提高。

四、實例分析

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用。

這篇文章選擇了新華路高架橋梁進(jìn)行防水結(jié)構(gòu)化設(shè)計作為講解實例展開，將合肥本地的水文條件進(jìn)行結(jié)合進(jìn)行設(shè)計。在此過程中要注意保持防水層下面的橋梁鋪裝的平整度，通過科學(xué)的混凝土設(shè)計，使橋面產(chǎn)生一定的坡度，確保水流達(dá)到足夠的暢通。此外，對于防水結(jié)構(gòu)的施工還需要確保其結(jié)構(gòu)達(dá)到足夠的完整、足夠的強(qiáng)度等相關(guān)要求，通過采用科學(xué)的工藝使防水結(jié)構(gòu)的完整性得以更好的實現(xiàn)。最后，要均勻設(shè)計排水管道系統(tǒng)，嚴(yán)格按照安裝規(guī)范進(jìn)行施工，防止混凝土構(gòu)件在橋梁施工過程中發(fā)生滲透、腐蝕現(xiàn)象，最大限度的提升橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2.結(jié)構(gòu)化設(shè)計的應(yīng)用。

該項目的高架采用大懸臂魚腹式箱梁，如圖1所示，由于該設(shè)計的特點是線條圓潤，具有良好的觀賞性，由于橋下空間比較大，因此在城市高架中得到了廣泛用。由于其寬度達(dá)到了5.4m，能夠使箱梁自重得到有效減輕，在對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計中為了防止彎矩過大，在懸臂下還需要設(shè)置0.25m斜腹板與外腹板進(jìn)行連接，橫橋所發(fā)揮的作用就相當(dāng)于撐桿，把荷載傳遞到腹板，縱向也不分配荷載，在縱向計算中，僅需要將在2根小直徑鋼束配置斜腹板上方，從而使整體截面保持平衡受力。該截面還需要根據(jù)橋梁實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，這樣有利于優(yōu)化內(nèi)力分布，降低橋梁結(jié)構(gòu)所承受的自重，從而更好的實現(xiàn)科學(xué)設(shè)計橋梁的結(jié)構(gòu)。

圖1大懸臂魚腹式箱梁斷面

3.在橋梁加寬設(shè)計中的應(yīng)用。

合肥市新華路與中心大道立交的特點是現(xiàn)狀橋梁，需要對其進(jìn)行相應(yīng)的加寬，加寬方案主要是將原橋護(hù)欄進(jìn)行拆除，并在其外側(cè)新建一個獨立橋梁如圖2所示。

圖2現(xiàn)狀橋梁拼寬斷面

由于該橋梁已使用了多年，橋梁已處于完成沉降狀態(tài)，在使用新建橋梁過程中會出現(xiàn)不均勻沉降，使橋面發(fā)生拉裂，對行車舒適度造成一定程度的影響。為了能夠?qū)⑦@個問題解決，采用柔性拼接的方式來對接縫處進(jìn)行處理，在接縫的兩側(cè)使用GD彈性混凝土新型材料，該材料結(jié)合了橡膠和混凝土的優(yōu)勢，具有較高的抗裂性，能夠有效抵御較大變形。目前，該設(shè)施已經(jīng)通車兩年多，沒有出現(xiàn)任何裂縫，具有良好的運營狀況，這也是新材料在實際中應(yīng)用的成功案例。

4.在鋼筋混凝土施工中的應(yīng)用。

（1）在高架橋鋼筋混凝土保護(hù)層施工。

為了能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行大幅度的提高，確保鋼筋不出現(xiàn)銹蝕情況，對鋼筋設(shè)置了相應(yīng)的保護(hù)層，施工中將墊塊設(shè)置在鋼筋下，使其厚度達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而能夠有效防止其出現(xiàn)腐蝕，將其結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性進(jìn)行大幅度的提高，并且安全性也得到了不小的提升。在關(guān)于橋梁相關(guān)規(guī)范中對增強(qiáng)保護(hù)層進(jìn)行了明確規(guī)定，在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還要達(dá)到相關(guān)設(shè)計要求，這對于我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展是十分有利的。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計必須符合混凝土耐久性要求。

橋梁的施工質(zhì)量直接決定了混凝土耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和其使用壽命。因此，在對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的時候必須要達(dá)到耐久性標(biāo)準(zhǔn)要求，為達(dá)到這一目標(biāo)，必須要將其耐久性進(jìn)行大幅度的提高。對混凝土施工質(zhì)量進(jìn)行合理控制，進(jìn)一步提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，從而使社會發(fā)展和出行需求得到滿足，使我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到可持續(xù)發(fā)展。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)加固的措施。

施工中最常見的問題就是混凝土出現(xiàn)裂縫，會在一定程度上破壞橋梁的結(jié)構(gòu)，裂縫不僅會使雨水滲透到橋體結(jié)構(gòu)，而且還會不斷地擴(kuò)大裂縫，進(jìn)而侵蝕到橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在橋梁施工中結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用與其性能之間存在著密切的關(guān)系，因此需要一個有效的模型對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，從而保證其實用性和安全性。

5.實際應(yīng)用中注意要點。

（1）結(jié)構(gòu)的選擇要足夠的科學(xué)，對負(fù)荷和剛性配置形式進(jìn)行科學(xué)降低，以便于對其進(jìn)行合理調(diào)整、分配。此外，保證施工過程中材料使用的剛性達(dá)到相關(guān)配置的規(guī)范要求。（2）盡量保證線力傳輸，唯有如此才能更好的節(jié)約支撐所消耗的反作用力，與外部負(fù)荷更好地達(dá)到平衡，以此來簡化橋梁的重量。（3）應(yīng)保證在整個施工過程中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的連續(xù)性。如果將橋梁各部分組合一個整體，就能夠大幅度的將傳力路徑簡化。這樣就能夠有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)整體所受到的內(nèi)力，減少使用材料，使成本進(jìn)一步的降低，實現(xiàn)了整體的經(jīng)濟(jì)效益。（4）在設(shè)計過程中，還需要綜合的考慮設(shè)計過程中所使用的材料，并將使用材料的結(jié)構(gòu)載荷、性能等方面進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，對橋梁結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行相應(yīng)的綜合分析，這樣能夠使結(jié)構(gòu)凈重得到充分降低，并將橋梁質(zhì)量進(jìn)行大幅度的提高，使人們對出行安全的需求得到最大程度上的滿足。（5）對橋梁主要部件進(jìn)行仔細(xì)檢查，這樣能夠充分的發(fā)揮出其潛力。根據(jù)設(shè)計要求，在復(fù)雜的環(huán)境中構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行合理化設(shè)計。目的主要是能夠降低橋中主力桿的數(shù)量，并制作相應(yīng)的力桿，在各種設(shè)計條件下其能夠得到有效的利用。因此在結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠得到廣泛使用，降低建設(shè)過程中所消耗的材料，從而使成本得到有效的降低，最大程度上保證其經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)束語

在我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和交通運輸業(yè)發(fā)展過程中道路橋梁發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。隨著其建設(shè)數(shù)量的增加和不斷擴(kuò)大的建設(shè)規(guī)模，該領(lǐng)域的設(shè)計工作也發(fā)生了巨大的變化，對相應(yīng)的技術(shù)提出了更高的要求。目前在進(jìn)行實際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計的優(yōu)勢十分明顯，其所發(fā)揮的效果也得到了廣泛的認(rèn)可。但是從實際應(yīng)用上來看，該設(shè)計還存在諸多的問題和不足，特別是相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)仍然沒有得到適當(dāng)?shù)奶幚?，希望通過本文的研究，能夠為該領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的借鑒。