结构化设计在道路桥梁设计中的应用

李艳晖

（江苏淮安交通勘察设计研究院有限公司扬州分公司，江苏 扬州 225200）

在设计道路桥梁结构时，遵守的基本原则就是安全性、适用性和经济性，传统的设计方法通常选用定值设计法，主要目的就是满足设计规范要求，达到最低水平的设计，这种设计方法对桥梁结构中存在的许多不确定因素不能进行描述与处理，也不能对适用、经济和安全等指标进行定量性的分析计算，对这些指标之间的矛盾无法进行调和，很难达到三者的均衡。结构化设计能有效解决传统设计方法中的问题，在道路桥梁设计中的应用得到证实，有非常广阔的前景。

1 结构化设计的必要性

传统的桥梁设计流程首先是根据经验判断制定初始的设计方案，包括材料的选择、总体的布置、制造的工艺和结构尺寸等方面；接着是对结构进行分析；最后进行力学分析，检验设计结构是否可行，并根据不同情况进行修改。这种设计方法，只是对施工方案的可行性与安全性进行检验，不能够做到最优的设计，很难满足对桥梁结构设计需求日益复杂的要求，因此，结构化设计变得尤为必要。

结构化设计的方法主要是基于自顶向下细化、模块化和结构化程序设计等程序设计技术发展而来的，主要的思想就是把设计分为具有单一功能且相互独立的模块结构，主要包括详细设计和概要设计。结构化设计主要通过结构图进行设计阶段的描述。结构化设计在道路桥梁设计中的应用，不仅是道路桥梁发展的需要，也是道路桥梁设计方法的最优选择。

2 结构化设计的不同计算模型

2.1 离散化结构

在道路桥梁结构设计时需要把结构的无限自由度转化为有限的自由度，也就是把整个结构分为有限个部分，这种划分就把整个结构进行了离散化的划分。这种结构化设计形成的离散化的结构有利于受力分析，更容易进行设计施工。

2.2 模型化结构

道路桥梁设计中要运用力学原理对各种结构的内在规律性进行分析，结构化设计能够做到抓住主要矛盾对结构进行模型化处理，模型化的结构使整个设计变得更加具体，易于施工的正常进行。

2.3 简化的材料和荷载

结构化设计通常会假设结构的材料是具有理想塑性和理想弹性的，而且用有限的参数来模拟具有无限自由度的随机荷载。这些有限的参数可以是具有概率特性的参数，也可以是解析式的参数。结构化设计使材料和荷载在计算时变得更加简化，也利于更好的进行施工前的结构设计。

要想使计算结果能够吻合实际的结构状况，在很大程度上取决于对计算模型的选取，因要慎重的选择计算模型，要保证选取的计算模型能够真正地反映出桥梁结构的实际受力状况。选取计算模型时，要充分考虑结构化设计在桥梁结构设计中的具体情况，具体情况具体分析，从而制定出最合理的计算模型。

3 结构化设计常用的解法

3.1 图解法

图解法适合各种二维结构的设计分析，图解法的基本思想就是把一个设计变量作为横坐标，另一个设计变量作为纵坐标，做出符合两种约束条件的曲线图形，进而得到上下界限的约束区域，在约束区域内做出目标函数的等值线，这一系列的等值线与可行区域的外边界相切，所得的切点就是目标函数值。

3.2 求解函数极值

计算函数的极值，首先要把约束不等式变为等式形式，然后再去消除目标函数中的变量，使目标函数变为仅含一个变量的函数，从而可以求出函数的最大最小值，达到结构化设计的目的。

3.3 同态设计法

把不等式约束换作等式约束，缩小了设计空间的可行性，这就是同态设计法。这种方法得到的解是劣于原解的，有时同态设计会得不到解。虽然这种方法有不足之处，但在实际结构设计中仍然有许多的结构构件需要用同态设计法来解决。结构化设计中的同态设计法能使复杂的结构计算问题变得更易于计算。

3.4 网络搜索的方法

作为一种直观切原始的方法，网络搜索法把问题在一定的范围内划分成许多的网格点，每个点代表不同的设计，按照一定的规律进行循序渐进的搜索，从而能够找到代表最优解的网格点。使用该法进行桥梁设计时，首先要固定一个变量，在对其他变量进行由小到大的验算，在验算时要使所有的点满足约束条件。在最后得出的可行的解中，选出最能满足目标函数的点，这就是所求的最优的解。

4 结构化设计在道路桥梁设计中的应用原则

（1）选用科学合理的刚度配置和截面形式，要想使结构的重量尽量轻点，就要把位移与内力的分布调整的更加合理，同时材料的刚度配置也要符合规范要求。（2）尽量使力的传递路线直接简单，这样支承反力才能更好地直接平衡外荷载，从而结构的重量会越轻，利于施工进行的同时还节约了材料。（3）要符合连续性的要求，如果使桥梁结构的各个部分形成一个统一的整体，不但使力的传递线路简单直接，还会使结构的受力范围增大，从而能够降低结构受到的整体内力，还能降低材料用量，节约成本。（4）设计时要充分考虑各种材料的组合，充分结合结构的几何形状与受力特征，各种不同材料的优良性能的充分组合，能够减轻结构的整体质量。（5）充分研究各主要受力构件的性能，发挥其潜力。桥梁结构根据不同的施工要求需要在不同的复杂环境中工作，结构化设计对结构的各种使用情况进行设计，为了使主要的受力杆数量减少，要让受力杆在各种设计情况下充分发挥作用，以期达到综合运用的目的，从而节省材料用量，缩减成本。

结语

近年来我国基础建设不断发展，道路桥梁建设作为交通运输业的核心环节，要想取得巨大的发展进步，必须做好施工建设工作，而要想保证施工很好地进行，就要做好施工前的设计工作。通过实践证明，结构化设计在道路桥梁设计中的应用不但保证了道路桥梁工程的质量，还保证了工程的安全性和经济性。结构化设计的应用有广阔的市场前景和使用价值。

[1]刘刚.道路桥梁设计与施工分析[J].民营科技，2012.

[2]李建勋.关于对道路桥梁设计及其施工的分析[J].商品与质量：学术观察，2012.