钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计研究

白钦 叶超

摘要：目前钢筋混凝土箱型桥梁断面的设计采用传统经验式设计方法，使得桥梁断面没法得到优化，阻碍了桥梁建筑业的发展。本文将重点研究钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计，提高设计的效率，降低工程造价。

Abstract： At present， the design of the reinforced concrete box bridge section adopts the traditional empirical design method， which makes the bridge section unoptimized and hinders the development of the bridge construction industry. This paper will focus on the optimization design of reinforced concrete box bridge sections， to improve the efficiency of design， and reduce the cost of engineering.

关键词：钢筋混凝土箱型桥梁;结构优化;设计研究

Key words： reinforced concrete box bridge;structural optimization;design research

中图分类号：TU375                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0151-02

0  引言

随着我国经济的飞速发展，人们对于交通运输的要求越来越高，尤其是涉及到桥梁等工程要求也越来越严格。再加上桥梁设计比较复杂而且施工要求较高，桥梁的跨度逐渐增大，要求桥梁连接公路之间的舒适性和安全性都要有所提高。由于箱型桥梁断面施工比较方便、质量比较可靠而且结构合理，得到了很多施工设计的认可。随着桥梁施工的不断实施，钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计研究在国内外成为了关注的焦点。本文笔者将借鉴相关学者的研究经验成果的基础上，根据不同的桥梁结构从而找出合理的断面优化设计方案。

1  钢筋混凝土箱型桥梁断面优化概述

箱型梁指的是断面和普通箱子一样的主要应用于桥梁工程中的技术，箱型梁一般由盖板、腹板、底板以及隔板组成，主要用途是为了适应大跨度的需求或者承重结构。箱型梁按照材料的不同可以包括预应力钢筋混凝土箱型梁和钢材箱型梁。本文笔者将重点研究钢筋混凝土箱型截面梁的优化设计。箱形截面具有良好的抗弯和抗扭特性，箱形截面的顶板和底板是结构提供抗弯能力的主要部位，箱梁腹板主要承受结构的弯曲剪应力以及扭转剪应力引起的主拉应力。这种巨型箱体与同截面的实腹梁相比，自重轻，耗材少，抗弯性好，被广泛应用于我国的桥梁建设中来。与普通的结构优化设计相比，钢筋混凝土箱型桥梁结构优化设计可以降低前期设计大量的计算和分析工作，大大降低了工作量。

2  钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计研究现状和问题

2.1 钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计现状  我国已经建成了钢筋混凝土箱型桥梁300多座，跨径大于100的钢筋混凝土箱型桥梁有五十多座，总体建造钢筋混凝土箱型桥梁的数量是世界第一，因此在钢筋混凝土箱型桥梁的断面优化设计方面有着比较成熟的施工工艺和技术，面对不同的地形地貌甚至复杂的山地地形都能适应，甚至在设计、施工和耐久性方面都有了大大的提高，同时满足了桥梁经济型的要求，在桥梁建造中占据十分重要的地位。

2.2 钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计问题  在实际的设计、建设施工和后期养护的过程中还存在着一些缺陷和问题。影响箱型桥梁断面优化设计的因素主要包括以下几个方面：

抗剪力滞后。剪力滞后指的是在桥梁墙体上开框洞后横梁变形，使柱中正应力分布呈抛物线状。剪力滞后就会导致桥梁腹板和翼板交接处的挠度和应力受到改变，从而有可能引发桥梁失稳或破坏事故，导致安全问题出现。

抗弯刚度问题。抗弯承载力和梁高的平房成正比，因此钢筋混凝土箱型截面梁抗弯承载力不足时可采用增大粱的高度的措施提高粱的抗弯承载力。

抗扭刚度问题。混凝土箱型截面梁因为不设置横隔板，所以有可能会出现箱梁抗扭刚度大大降低的情况，再加上桥梁的整体荷载比较大，所以容易出现此问题。

安全性问题。混凝土箱型桥梁被广泛应用于各大桥梁建设中，再加上不同的地形地貌对桥梁的设计难度和要求也不同，因此我们在优化设计中要考虑箱型截面梁的安全性问题，使其能够抗震、抗风，保证桥梁通车的安全。

舒适性问题。随着经济的发展和科学技术的进步，人们对于交通中的舒适性要求越来越高，而钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计既要考虑到结构的安全还要从行车的舒适性角度出发，建立舒适性评级体系。

3  钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计

3.1 钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计类型  结构优化的主要类型分为三种：截面尺寸优化、形状优化和拓扑优化，这三种类型的优化分别对应着三个不同的设计阶段阶段，如图1拓扑优化代表了概念设计阶段，形状优化代表了基本设计阶段，而尺寸优化代表了详细设计阶段。

3.1.1 尺寸优化  钢筋混凝土箱型桥梁断面结构优化最基础的形式是截面尺寸的优化，主要设计的变量是壳体的厚度或者构件的截面尺寸等作为优化设计时需要改变的参数也就是变量来进行规划研究的。在设计钢筋混凝土桥梁时首先要考虑的就是梁的截面尺寸。梁的截面尺寸主要包括梁的高跨比、截面梁的高宽比以及将其模数化。为了确定桥梁的断面尺寸是否合适需要进行验算和验证，配筋过大或过小都要对截面尺寸进行适当调整优化保证桥梁的安全和实用。截面尺寸优化就要将结构的最小重量、最低成本和最小体积设定为目标函数，将最大位移位、极限应力和局部稳定性作为约束条件来进行分析和规划，从而进行模拟计算，优化出合适的截面尺寸，从而达到节约成本和更好满足构建受力要求的双重目的。

3.1.2 形状优化  钢筋混凝土箱型桥梁断面结构优化的形状优化，是在保持结构拓扑关系不变的前提下，以结构件外形、节点的空间位置、孔洞形状作为设计优化变量从而对象的优化设计，比如凸台过渡倒角的形状等，来使得箱体断面的结构更加合理从而达到最优的。几何形状优化是通过半径、长度和角度等参数的变化为设计变量，通过这几个变量的修改从而使得几何形状发生变化，从而增强结构的强度和刚度，改善结构内力传递的途径，最终实现有线箱型桥梁断面结构的目的。对于钢件结构，一般仅仅通过改善尺寸或者改变几何形状很难达到优化断面结构的目的，而是将截面尺寸和形状一起进行优化，从而加大桥梁的整体跨度，起到优化结构的最终效果。我们在研究时可以将两个变量分开处理也可以将两个变量共同处理，从而反映它们对于优化结构的最终效果。

3.1.3 拓扑优化  拓撲优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的最重要的一种形式之一。拓扑优化不仅仅改变的是结构的形状和大小，还将改变内部的拓扑结构。拓扑优化就是以材料在设计域内的空间分布作为设计变量，从而使得箱型桥梁的断面满足建设中最大满应力和最大刚度的要求，确定箱体桥梁的布局和节点的连接位置和连接形式。离散体结构和连续体结构都是拓扑优化的方法。拓扑优化相对来说比其他两种优化形式更能达到优化箱体桥梁结构的目的，它归根结底是在给定的设计趋于将钢筋混凝土箱型桥梁断面的内部结构进行重新组合从而使得箱体受力更加均匀。

3.2 钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计方法

3.2.1 数学规划法  数学规划法指的是包括线性规划和非线性规划两种方式，被广泛应用于钢筋混凝土箱型桥梁的优化设计中。线性优化是目前为止最为成熟的优化设计的方法，是研究多变量函数在变量具有约束条件下的最优化问题。线性规划的一般步骤包括首先提出问题，然后列出问题的标准形式，随后确定初始基可行解，列单纯形表，进行最优性检验并迭代，指导检验数是非负或非正为止。非线性规划可以采用直接处理约束法、直接搜索法或者将其进行转化为无约束优化问题求解的方法等来进行解析和优化。

3.2.2 仿生学法  仿生学法是将模仿生物系统的原理和功能，利用相关逻辑思维和数学表达式来进行表达的从而寻求最优化的解决方法的技术系统的方法。仿生模型法包括生物原型、数学模型与硬件模型三个相互关联的方面。其中生物模型是基础，硬件模型是目的，而数学模型是桥梁，通过这三种模型的构建我们可以得出钢筋混凝土箱型桥梁断面的最优化的设计结构。

3.2.3 准则法  结构优化设计的准则法包括满应力准则法、能量准则法和齿形法三种类型。这种优化设计的方法主要被广泛应用于几何形状和结构布局已定的优化设计中，它是一种根据结构力学原理和优化准则从而建立起优化设计公式来进行结构优化设计，从而求出满足规范的最优解。

3.3 钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计过程  我们在钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计中，可以利用ANSYS软件中的优化功能建立有限元模型，通过分析优化设计、状态变量和目标函数三个要素，选择常用的优化工具包括单步运行、随机搜索法、乘子问题法、最优梯度法和乘了计算法等从而得出正确的设计结论和效果。然后我们再根据不同工况力下的应力变形结果包括重力、风荷载力、车辆荷载力进行综合分析，对优化前后的位移、应力进行结果对照，从而分析优化是否能够满足桥梁工程可行性和安全性的具体要求，确定优化方案是否可行。

4  钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计结果。

本文笔者通过钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计，采用不同的设计优化方法从而得出了理想的设计效果，通过优化前后的对比我们可以看出优化后的钢筋混凝土箱型桥梁具有以下几个：

4.1 整体外观变化  经过钢筋混凝土箱型桥梁断面设计优化后的的整体箱梁尺寸变小了，提高了前期设计的效率，同时节省了后期桥梁建设过程中的成本消耗的同时也大大节省了工期，使得结构更加经济合理，降低了工程造价的成本。

4.2 功能指标变化  钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计后使得位移和应力都发生了变化，桥梁结构应力有所变化，挠度和位移也安全性和实用性大大增强，虽然发生了变化但是仍在可允许的范围内，在桥梁设计中被广泛应用。

5  总结

钢筋混凝土箱型桥梁的结构良好、适应性比较好，在桥梁设计中广泛应用。我们对于钢筋混凝土箱型桥梁的优化设计进行研究，结合我国钢筋混凝土箱型桥梁设计上的相关难题，从而从材料、结构、工艺和相关的设计方法、措施上进行优化，以求达到建设桥梁的先进水平，从而提高桥梁的使用舒适性和寿命，满足现代桥梁建设复杂的地质地貌的要求。

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