道路桥梁设计中的结构化设计

赵玉宝

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031）

0 引言

广州市新建道路跨线桥，桥长96m，宽度23.2m，设置钢筋混凝土预应力连续梁，跨梁组合为3×30m，采用现场分层浇筑施工方法，上部结构采用3×30m 连续箱梁，下部结构桥墩采用盖梁接墩柱接桩基础，桥台采用盖梁接桩基轻型桥台，桩基尺寸为φ1.3m×24m，共计布置20 根桩。设计人员根据《公路桥梁设计规范》文件中的要求，为确保整体桥梁结构稳定，质量符合标准要求，应用数字技术建立BIM 模型，采取结构化设计的方法，具体桥梁结构如图1 所示。

图1 道路桥梁结构

1 道路桥梁结构化设计要点

1.1 基本流程

采用结构化的设计方法，建立桥梁整体结构模型，基于结构化设计的基本流程，设计人员将整个设计过程分为3 个步骤。第一步，设计人员基于桥梁项目要求，进行结构的离散化设计，根据各个桥梁工程阶段的目标，进行模型单元的划分处理，将整个工程项目分解为若干个单元，实现离散化模型向结构模型的转化，确保整体结构的受力特性。结构性转化后，整个桥梁呈现出自由的形态。第二步为桥梁结构的受力条件分析，根据桥梁荷载要求，确保结构材料参数能够满足实际要求。第三步通过优化结构参数，实现道路桥梁具体方案的设计设定，简化方案要求[1]。具体道路桥梁项目设计结构受力条件分析如表1 所示。

表1 道路桥梁设计结构受力条件分析

基于上述要求，采用结构化的设计方法建立模型，将若干单元汇聚成为一个结构整体。在具体结构化设计系统的分析和应用过程中，按照系统的操作模式、操作方法，评审和细化数据流图，并判断数据流图的属性，随后进行设计结构上层模块和下层模块的构建，最终进行模块结构的优化。在道路桥梁结构化设计时，系统可分为3 个层级，具体结构化设计操作流程如图2所示。

图2 结构化系统操作流程

1.2 结构化计算模型构建

结构化设计按照流程，首先，进行离散化结构的构建，将整个桥梁结构分为若干个单元，确保每个单元结构的自由度，建立道路桥梁的结构框架模型。独立单元具备一定的自由度，将其转化为有限特性后，进行过程分解，按照路径进行离散化模型的构建。其次，完成离散化结构之后，进行模型化结构的设计，在模型化结构过程中，考虑桥梁结构中不同材料、不同连接处、连接方法的作用机制，根据整体桥梁结构的内在规律，建立框架体系，该过程主要对细节进行把握和控制。在完成离散化模型结构向模型化结构转化之后，输入设计方案中所期望使用的原材料，保持原材料输入过程中处于理想状态，随后进行有限态势单元结构指标的建立，进行桥梁的实际荷载模拟分析[2]。数据模型系统具备强大的数据计算、数据分析功能，能够使得输入数据流的结果与映射模型结果相契合，计算材料、连接方式、结构形式之间的关系，同时计算整个桥梁模型框架的实际受力情况，进行最佳计算模型的构建。

1.3 结构化设计模型求解

在输入相关参数，提取桥梁结构单元模块信息之后，使用图解法进行道路桥梁各结构的坐标控制，绘制曲线图。图解法能够识别结构框架的多样性特征，通过对各单元结构中横坐标、纵坐标变量的拟定，确定具体的坐标数值，绘制曲线图。根据曲线图，设计人员识别桥梁上侧位置和下侧位置边缘区，结合目标函数进行绘制，保持等值线内数值的稳定，函数计算结果超出的等线值则保持相切的状态。在本项目中，桥梁结构断层面模型求解使用图解法，桥面板需要具备一定的荷载力，且桥板之间相互连接，在图形中构成双层节点。桥梁连续梁单孔结构的重量为1500kN，材料加载期龄为3d，上层结构厚度为20cm，下层台身高度为6m、墩高6.4m，将整个结构分为46 个单元，对其进行图解计算。

按照相关步骤对数据进行处理后，得到桥梁结构中目标函数转化参数，取得函数计算结果中的极值、最大值、最小值，将其应用到结构化设计之中。道路桥梁在结构化模型求解过程中，为确保各参数数据的可调整性，使得结构方案趋于最合理，采用同态设计方案，即在同一状态下进行对等设计，将设计空间缩减，使得结构受力分析、荷载分析的最终结果能够满足要求，计算效率有所提升。

2 道路桥梁结构化设计实际应用

2.1 结构化防水设计

结构化设计在道路桥梁中的应用主要基于BIM 模型实现，为结构化防水设计提供更全面、准确和协调的设计方法。使用三维软件建立桥梁的三维BIM 模型，将结构要素分为若干个单元，其中包括桥墩、桥梁台座、支承、墩身等。随后，模拟桥梁的实际情况，计算桥梁结构的实际防水需要，考虑天气降雨、排水系统、防渗措施等对防水性能产生的影响。基于模型的计算结果，选择应用防水涂层进行设计。同时，在结构化设计过程中，模拟水流路径和雨水流向，设计结构中的集水点和排水系统的位置和参数。最后，根据地形和水流情况，通过模拟水流对桥梁结构的冲击效应，检查防水层的可行性及安全性。在此过程中，基于BIM 模型的防水结构设计，创建三维可视化模拟，帮助设计团队和利益相关方更好地理解和评估防水设计方案[3]。此外，可将模型与相关数据进行共享，以便在所有设计阶段进行一致的信息更新和修改。因此，在结构化防水设计过程中，按照流程，技术人员通过建立模型、导入数据、设计需求、模拟情况、计算水力条件、模拟冲击效应，进行各单元位置结构的设置，采取科学、有效的防水设计方案，使得桥梁整体结构的防水性能良好，具体结构化防水设计如图3 所示。

图3 结构化防水设计

2.2 混凝土工程结构化设计

在道路桥梁结构化设计期间，主要使用的材料为钢筋混凝土，仅将混凝土单元作为模型构建的节点，依据混凝土防渗裂、荷载等要求，进行保护层结构的设计，以合理的保护层厚度，确保混凝土结构的耐久性，为其进行构造配筋设置。在本次工程中，保护层应用钢筋混凝土材料，具体钢筋绑扎如图4 所示。

图4 钢筋绑扎结构

在模型中，根据桥梁各单元结构所处位置和用途，确定并计算各种载荷，其中包括交通荷载、温度荷载、地震荷载等，以确保钢筋混凝土结构能够满足荷载的要求。根据预设方案的钢筋和混凝土材料，模拟φ10 的钢筋和C35 质量等级混凝土的实际应用，确定其强度参数和材料性质可以满足荷载要求。在整个桥梁工程结构化的设计中，依据模型，结合承受的正常力和弯矩，在满足极限状态和使用状态的前提下，调整并选取合适的截面形状和尺寸。同时，在钢筋结构布置上，承受力学要求和构造限制，在混凝土截面内选择合适的钢筋直径、数量和布置方式，以提供足够的抗弯、抗剪和抗扭刚度[4]。在结构连接方式上，设计伸缩缝、膨胀节等，采用挠性连接方式，确保各结构混凝土材料连接的稳定性，具体伸缩缝如图5 所示。

图5 桥梁伸缩缝

钢筋混凝土工程涉及道路桥梁工程的各个单元，每个单元的钢筋布设方法、单元结构尺寸、单元结构材料使用量等均在结构模型之中明确。设计人员根据输出的模型结果，进行结构化的应用，设计人员为避免在工程后续投入使用出现耐久性问题，产生相应的病害，根据桥梁所处的环境，桥梁结构工程的耐久性设计。具体耐久性要求标准如表2 所示。

表2 桥梁结构混凝土设计耐久性标准

在模型中使用函数进行各参数的计算，进行混凝土工程的结构化设计，确定工程技术参数条件。依据上述标准，本项目设计桥梁处于常温地区，设计水灰比为0.5、水泥用量为318kg，强度等级为C35，含碱量为2.8%，氯离子含量为0.17%，使得混凝土的耐久性能够满足道路桥梁结构长期承载的要求。且设计过程中为了避免出现开裂问题，在设计环节进行桥梁单元结构的抗裂性能分析，最大程度减少开裂问题的产生，增强构造的配筋数量。

2.3 道路桥梁结构质量设计

道路桥梁结构化设计能够使得整体桥梁结构具备良好的抗震性能、抗风性能、防崩性能。基于结构化设计模型输出方案，设计人员进行抗震等级、防震烈度等级的明确，确保桥梁的抗震设防烈度满足Ⅷ度的要求，合理设置桥墩与盖梁之间的距离，使得桥梁的跨径在150m 以下。风荷载计算则依据阻力、升力、升力矩要求，输入环境相关数据进行计算，具体计算公式如式（1）所示。

式中：Fv——升力；p——空气密度；U——风速；Cr——升力系数；B——桥梁宽度。

基于上述公式计算后，进行结构分析，计量最大风力状态下桥梁是否可以满足实际要求，随后进行结构的优化调整，确保其质量良好[5]。防崩结构设计时，对重点区域的连接和固定情况进行计算，确定拉力、应力满足要求后，进行结构优化，确保结构防崩性能良好。

2.4 BSA 运行分析

在道路桥梁结构化设计中，主要应用BSA 系统进行结构分析，录入和计算各单元结构的数据，并对数据进行结构分析。设计人员可以将确定的数据进行计算，或者将不确定的数据进行同步显示，自动计算结构参数。运行期间，可借助平台的“后处理”功能，生成道路桥梁的内力图，直观显示结构设计方案中各单元结构节点的受力分布情况以及受力分布状态。包络图也可以计算活载和恒载状态下的应力分布，生成应力分布模型，进行单元数据的计算，直观了解桥梁结构的应力分布状态，抓住工程结构设计的重点和要点。

3 结语

采用结构化设计方法能够起到优化道路桥梁工程参数的作用，通过结构化模型的构建，将其应用到具体的防水设计、混凝土参数设计、结构质量设计过程中，实现各参数的优化，确保了工程项目建设的可行性，同时提高了道路桥梁的质量，使得其能够满足《道路桥梁设计规范》的要求。同时，结构化设计在解决复杂的结构难题中，得到有效运用使结构方案最优化，具有明显的经济效益。