仿生学技术在桥梁优化设计中的应用

张 凤 贵

(山西远方路桥(集团)有限责任公司,山西 大同 037008)

0 引言

目前，省内公路建设迎来发展新时期，公路及桥梁工程建设更加注重可持续、耐久性、安全性及经济适用性等要求；为了提升省内桥梁工程建设的质量和效率，引导学科之间融合是优化桥梁结构设计的新方向；在生物学基本理论影响下，仿生学和桥梁工程结构设计理论的融合已经成为当前桥梁工程设计及设计优化的重要方式之一。文章以省内高速公路桥梁工程设计及优化设计为研究对象，就桥梁工程仿生学优化设计进行深入研究，提出了相应的应用措施。

1 仿生设计方法在桥梁设计及优化中的应用分析

1.1 桥梁外观仿生应用分析

为了拓展新的桥梁外观和形式，将仿生技术应用在桥梁外观设计中能够最大程度拓展桥梁外形类型，提升桥梁外形的美观程度。表1为仿生方法在桥梁工程中的应用分类情况。

表1 仿生方法在桥梁工程中的应用分类

桥梁结构设计的外形仿生设计是对外部自然形态的模仿过程；在具体设计阶段，桥梁结构设计人员必须重视外部仿生过程中的不均匀沉降、开裂、自重荷载过大等多种外部病害表现。

1.2 桥梁结构设计及力学仿生技术

桥梁结构仿生设计主要依托于生物的静力学及动力学基本特性，受到生物结构的启发从而优化桥梁结构形式及设计方式，提升桥梁结构的稳定性、承载能力及刚度等力学指标。例如，大跨径跨海大桥结构设计过程中，为了实现大跨径，优化内部受力、传力体系，可以参考大型哺乳动物的骨骼形式；此外，可以借助蜘蛛网的网格特点模拟蜘蛛网的防风及抗风特点，提升大跨径跨海大桥的动力特点和稳定性，例如，以色列著名的耶路撒冷克兹大跨径桥梁的上部承载结构就是依靠人体骨骼和骨架形式设计的。

1.3 基于建筑材料及组织结构的仿生

随着工程技术的快速发展，材料科学及技术取得了快速发展和提升；目前，各种新型高性能、高强度、轻质、抗腐蚀能力强的建筑材料已经被广泛应用在桥梁工程设计中。建筑材料仿生技术就是基于研究生物体内部化学及生物组成的基础上，通过仿生方式制造出更加高效、实用、强度更高、韧性更强施工材料。譬如，桥梁工程设计中，混凝土材料是使用量最大，使用最普遍的材料之一；虽然混凝土材料是人工石材，但是，其原材料均来自于自然界，且混凝土材料最早受到自然界中植物根茎叶的生产及分布规律的启发，明确了混凝土材料中不同组分的功能和特点。在后期的材料仿生研发实践中，新的仿生材料快速推广使用，在研究贝壳粉过程中，贝壳粉凝结后的标准抗拉强度值明显超过素水泥的标准抗拉强度值；目前，桥梁结构设计人员为了继续提升大跨径桥梁的跨度和承载能力，着眼于高性能混凝土材料的研发，基于贝壳粉的仿生技术能够显著提升混凝土材料的抗拉压及抗剪切性能。

1.4 桥梁结构设计优化仿生技术

桥梁结构仿生设计技术及理论应用不单单局限在外观、结构设计及材料层面，在桥梁结构长期健康监测及桥梁设计优化方面也有不可替代的作用。在省内桥梁结构长期监测过程中，应变片的断裂力学分析是钢筋混凝土中裂缝监测仿生方面的重要内容；应变片的制作及生产机理就来自于对生物分泌粘液的仿生，粘液具备良好的变形特性和贴合能力，可以与被粘合物体实现协调、统一变形。为了保证应变片在长期监测环境下的完整性和可靠性，为了保证监测值的可靠程度，应保证应变片的极限抗拉变形应超过混凝土材料本身，在省内部分桥梁长期监测实践中，应变片材料的极限抗拉应变值应控制在90 000 με以上，粘贴介质的极限抗拉应变值应控制在20 000 με以上。通过分析混凝土裂缝长期监测面临的实际问题，裂缝出现将导致应变片脆性断裂，断裂属于二维平面应变问题。式(1)为应变片剪应力计算公式：

(1)

其中，T为剪应力；r为开裂裂缝尖端距离；θ为裂纹开裂角度值；K1为裂纹应力强度因子值。

2 桥梁承重结构仿生设计案例分析

2.1 工程设计案例分析

在省内高速公路桥梁设计实践中，大型门式桥墩被使用在大跨径跨线桥中；作为一种常用的可靠性门型支撑墩，其安全性和可靠性均不可忽视。工程设计实践说明，提升梁体实际高度是增加梁刚度的重要作用；若下部净空受限，可以使用增大底板厚度的方式进行微调。本次设计以省内某高速公路桥梁支撑墩设计为研究案例，通过仿生技术，寻找仿生学原型，对门式桥墩进行加固。

2.2 桥梁承重构件仿生设计技术

生物界中，承压杆件及受弯构件的仿生来源众多，其中，豪猪的毛刺就是通过内部填充的方式提升毛刺的自身稳定性。科研人员已经借助试验论证了豪猪的毛刺具备较高的抗压能力。经过细部分析可知，毛刺内在原有的柱型结构体的基础上，增加了横向及纵向的加劲肋，在垂直于轴向截面荷载的作用下，毛刺结构和空心柱体的屈曲荷载一致，但是抗弯承载能力明显增加，且内部呈蜂窝状的核心组成形式和纵向及横向的加劲肋能够抵抗4倍以上的空心柱体压强。此外，竹子内部的茎部分有超过1/2以上的软组织及将近1/2的纤维组织。从力学性能上分析植物内部细胞中的软组织细胞质主要起到荷载传递作用；另一种细胞主要起到荷载承受作用。科研人员通过仿生学方式，开发出新的薄壁圆柱形承载墩，其承载能力较传统的薄壁墩提升了25%以上，且破坏形式从局部屈曲破坏转变为整体屈曲破坏。图1为优化后的承压柱截面形式。

2.3 桥梁承载结构优化设计

通过仿生技术，实现了对高速公路桥梁门式承载墩墩柱截面的优化设计及改造，截面形式选用夹心板结构，厚度外侧壁厚较小，原有顶板形式从单层的32 mm厚度，转变为20 mm及12 mm的夹心板厚度，夹层板钢板宽度选用了原有的加劲肋宽度，并分成若干小箱室，在保证强度的基础上，降低了结构自重。在墩柱盖梁结构类型选取方面，复合式结构能够很好地发挥复合材料的优势，提升结构的刚度及强度。图2为仿生优化后的夹心式截面。

3 结语

桥梁结构设计及优化可以借助仿生技术得以实现；随着省内公路建设质量的提升，桥梁结构设计的可持续性、安全性、耐久性及可靠性受到设计人员的广泛关注。将仿生技术加以引进和推广使用，可以显著提升和优化桥梁结构设计质量，最大程度延长桥梁结构服役寿命和年限，为省内桥梁结构设计工作拓展新发展方向。