道路桥梁设计中结构化设计优化分析

陶志波

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西 抚州344000）

0 引言

相较于传统的道路桥梁设计理念、设计方式而言，结构化设计可表现出“分解+整合”的特性，其更倾向于将设计对象的各功能、各部分视为独立模块，并实施深层次的拆解与完善。在此基础上，再将精细设计后的各结构信息整合起来，并实施进一步的优化调整，继而形成符合工程目标、综合质量可观的总体设计成果。将结构化设计应用到道路桥梁设计中，能够统筹达成加强结构、保障安全、延长年限、适应环境等多项目标，实现工程效益的综合提升。

1 道路桥梁设计中结构化设计的基本原则

简单来讲，所谓道路桥梁的“结构化设计”，即基于特定的划分规则，将道路桥梁整体拆解为多个结构部分或结构类型，并在此基础上进行专业化、精细化设计。其后，再对各结构设计结果进行协调完善，最终获得最优化的道路桥梁设计方案。与传统的设计模式相比，结构化设计更具目的性、细节性与先进性，对道路桥梁工程建设效益的提升具有重要支持作用。结合行业经验来看，在具体实践中，道路桥梁的结构化设计应坚持如下基本原则。

第一，科学性原则。道路桥梁的建设关乎国计民生，且受到建筑体量大、工程投入多、所处环境复杂等多种条件限制，面临着诸多影响因素与风险隐患。在此背景下，道路桥梁的任何一个设计环节、设计参数出现纰漏，都有可能导致难以挽回的经济损失与安全事故。所以，在开展结构化设计的工作实践时，需要严格做到科学严谨、专业细致。例如，在对道路桥梁主体进行设计时，除了要关注钢混结构本身的构建质量外，还需要考虑到自然风、降雨、地震等外部因素对桥梁耐久性、稳定性、安全性的影响，并对风荷载、应力分布、材料强度等参数指标进行科学研究、精确运算。只有这样，才能保证道路桥梁在竣工建成后全面达到工程目标水平，为当地交通网络的建设完善提供助力。

第二，规范性原则。在实施道路桥梁的结构化设计时，应全面做到按规设计，将《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）等各项现行国家标准、行业规范中的内容要求作为参考依据与合格准绳。在设计过程中，若发现结构化设计成果与标准、规范中的规定内容存在出入，应严格以规定为准，并对设计方案进行问题排查与深化调整，直至所有方案细节均处在标准、规范的允许范围内。

第三，先进性原则。在功能效益优于传统设计模式的同时，结构化设计的复杂程度与工作量也明显高于传统时期。在此背景下，若仍采取人工化、平面化的设计模式，将很难满足结构化设计的应用需求。因此，需要遵循先进性的实践原则，将结构化设计与数字化工具结合起来。

例如，将BIM技术与结构化设计相结合，可在平台虚拟环境中生成各类结构设计成果的三维模型。在此基础上，将道路桥梁的多个结构设计模型进行整合时，便可依托BIM平台的碰撞试验（见图1）功能实现不同设计方案间矛盾点的精准排查，以避免出现结构化设计后各分解部分相互冲突的问题，进而为道路桥梁工程后续建设施工活动提供正确、完善的依据和导向。

图1 碰撞试验

2 道路桥梁设计中结构化设计的优化要点与完善建议

2.1 道路桥梁设计中结构化设计的优化要点

在运用结构化设计理念及方法的背景下，需要明确道路桥梁工程中不同结构的类型特点与搭建需求，并据此完成科学、合规、协调的设计方案。具体来讲，设计中的实践要点如下：

2.1.1 道路桥梁主体结构的设计

首先把控好主梁设计的要点，道路桥梁的简支梁结构一般可分为装配式结构与整体式结构两种类型。其中，整体式结构为主梁配件合为一体，直接进行梁吊装，而装配式结构与其不同，是指将预先确定的主梁配件分开运送，到达施工场地后，再逐步装配为梁。对于该部分结构设计，可以使支梁运用机械化工程技术，既可以有效降低操作人员劳动强度，也能够尽可能减少不必要的材料损耗，促进整体工程施工效率的提高，故而目前许多道路桥梁主梁都选择装配式结构，为了让桥梁本身的承重效果更好，选择主梁造型时多为T形，而混凝土结构的主梁常会选用箱型结构，实施设计时需保证这类主梁结构之间具有一定距离，再基于荷载计算来确定梁高和细部尺寸参数。比如，主梁若设计为对称形式，那么其荷载分布也会对称，计算主梁实际荷载量时，可以采用杠杆法，反之则可利用偏心受压法加以计算，确定主梁的受力点，以免结构中出现安全隐患。

其次，要合理开展桥台设计。道路桥梁的桥台设计也是一项重要内容，设计人员需要合理选择桥台型式，目前的简支桥梁中常用到轻型桥台、薄壁桥台以及埋置式桥台，其中轻型桥台的体积较小，基于设计的需求，可以将其作为挡土翼墙结构；薄壁桥台能够被掩藏在桥梁护坡内部，可以对桥台处荷载力加以削弱。

再次，应科学选择桥墩，一方面进行分联墩盖梁防水设计，其顶层设计需具有一定坡度，对盖梁上部分需设计防护层结构和滴水槽结构，这是为了防止墩盖梁出现积水情况而被侵蚀；另一方面要把控桩顶设计，桩基顶部很容易出现应力集中情况，在进行设计时要充分考虑周围环境，明确桩顶位置水位，将其作为设计重要依据，避免地表水和地下水排放造成不良影响。

最后，合理设计上部结构，一是铺设好桥体表面，让车辆与桥面进行接触，其会作为首道桥体排水线，妥善铺设设计可降低桥体表面的受损害程度，避免影响到桥体本身的防水性能；二是二道防水层设计，在结构主梁与桥体表面之间增加一层防水层，作为第二道主梁隔水防线，采用具有隔水功能的材料作防水层，但要避免层面性能过刚，否则会出现开裂情况；三是设计伸缩性缝隙，桥体表面若是具有伸缩缝，可以进一步提高桥体伸缩性能，也能够让桥体运行的舒适性更强，但要注意防止主梁型号不合适而出现端口损伤问题，伸缩缝设计也需考虑到防水性，避免选择直线式伸缩缝，其很容易出现漏水情况，可设计为翘头式，具有一定闭合功能，以免分联墩盖上的积水侵入伸缩缝当中。

2.1.2 道路桥梁抗震结构的设计

在进行道路桥梁的抗震结构设计时，需要先对桥梁的抗震等级、设防烈度做出明确。其中，抗震等级的认定条件如表1所示。在此基础上，根据重力加速度的差异，可按相关现行规范将桥梁的抗震设防烈度分为6至9度。其后，结合不同烈度，对道路桥梁抗震结构实施针对性设计。若烈度为6，则需要对简支梁与桥墩、盖梁等部位之间的距离加以控制，具体公式为A≥70 + 0.5L。其中，A为间隔距离的设计值，L则为简支梁的跨径数值。若烈度为7，除了要满足6度区的抗震标准以外，还需要在设计方案中通过螺栓、夹板等连接手段对简支梁实施固定保护，以避免桥梁在地震影响下出现落梁事故。若烈度为8，不仅要达到各次级烈度的设计要求，还应注意多项要点。例如，设计桥梁支座时，应严禁使用摆柱形式。在此基础上，若将支座设计为辊轴形式，则需要对其实施限位保护。再如，为了达到更高的结构抗震效果，在设计桥墩、桥台等部位时，所使用水泥砂浆材料的强度应较现行规范标准提升一级。当道路桥梁的抗震设防烈度达到9度时，其结构抗震性能应尽可能达到最高水平。例如，在设计选用桥墩、桥台等桥梁下部结构的材质时，应严格保证混凝土强度在C25以上，并加配足量的钢筋材料，以保证桥梁的稳定性，避免局部开裂、主体沉降等负面情况发生。

表1 桥梁抗震等级的认定

2.1.3 道路桥梁防水结构的设计

将结构化设计应用于道路桥梁的防水设计，能够大幅提升桥梁整体对于水分侵蚀的抵御能力，进而保障桥梁的结构强度与耐久性。具体实践中，一方面要把控好防水材料性能的设计质量。若所选材料为自黏型卷材，则材料厚度应控制在2.5mm以内，以免因卷材过厚而对黏结密封效果产生影响。反之，若所选防水材料为热熔型卷材，则应适当增加卷材厚度，以避免现场热熔作业时对桥梁主体材料质量产生负面影响。另一方面，还需从结构优化的角度入手，增强道路桥梁的防排水性能。例如，可在伸缩槽侧边设置渗水管道，并在桥面排水口侧缘设置渗水孔。这样一来，当自然雨水径流至伸缩槽、排水口等部位时，渗水管、渗水孔便可发挥作用，将残余积水排出桥面，以避免桥体内部遭受水分侵蚀。

2.1.4 道路桥梁抗风结构的设计

在道路桥梁工程的结构化设计中，抗风结构设计主要是针对桥梁设施的建设而言的。设计时，首先需要全面采集与桥梁风振抗性相关的各项参数，具体包括当地的风向、风力、风速以及桥梁本身所能承受的最大抖振幅度、颤振临界风速等。其中，风向、风力等参数可通过调查历史资料或现场仪器测量进行直接获取，其余参数则需要根据实际工程情况进行运算分析。在此基础上，桥梁所处环境的风速、风力若在抖振幅度、颤振风速的允许范围内，则桥梁结构相对安全稳定。反之，则表明桥梁会受到自然风的较大负面影响，可能出现结构疲劳、局部失稳等问题。其次，需要对静力条件下的桥梁抗风系数进行运算，即分析自然风场在受到桥梁建筑落成影响后，风对桥梁结构产生的作用力。具体来讲，可将风荷载细分为阻力、升力、升力矩三个部分，具体的运算公式如下：

式（1）～式（3）中：F为阻力；F为升力；M为升力矩；U为桥梁所处环境的风速均值；C、C、C分别为阻力、升力、升力矩的系数；D、B分别为桥梁建筑的实际高度与宽度；ρ则是桥梁所处环境的空气密度。在实测并运算得出风荷载的各作用力数值后，即可结合《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）这一现行规范中的相关内容，对桥梁设计结构的抗风性能做进一步确定。

2.1.5 道路桥梁防崩结构的设计

为了保障道路桥梁钢结构主体的稳定性，还需要在结构化设计中做好防崩设计工作。首先，需要对桥梁管道与管底水泥间的连接质量进行把控，确保其结构稳定、完整密实。其次，路桥梁板底部是发生钢筋崩裂故障的常见区域，需要在设计中对此提起重视。实践时，应在梁底钢筋外部加设闭合箍筋，从而对原有的钢筋结构形成固定作用，并实现钢筋受力分布情况的有效改善。最后，在设计路桥合龙段时，应确保两侧路桥施工段的高差小于3cm，以便更好地提高路桥结构的防崩性能。

2.2 道路桥梁设计中结构化设计的完善建议

从目前来看，道路桥梁结构化设计在遵循“先分解，后整合”这一逻辑的前提下，衍生出了多种设计手段，主要包括简化荷载设计、模型化设计、离散化设计、求极值设计等。这些设计手段均有其独特优势，如简化荷载设计侧重于据实反映路桥结构的受力分布状态，模型化设计侧重于路桥结构的逻辑性拆分等。在道路桥梁的结构化设计实践中，可根据不同的工作条件、设计需求，对各类衍生设计手段进行科学选用或综合利用，势必能达到更加高效率、高质量的设计效果。

3 结语

综上所述，将结构化设计应用到道路桥梁的工程设计中，极具优势性与必要性。在开展设计工作时，需要将道路桥梁整体细化分解为主体结构、抗震结构、抗风结构、防水结构等多个部分，并结合相关规范与结构特性，实施专项化、精细化的设计，从而确保道路桥梁综合设计质量处于较高水平。此外，还需做好多种设计手段的综合运用，以便进一步提升道路桥梁设计质量，实现结构化设计价值的充分发挥。