徐仕均

摘 要 經(jīng)濟發(fā)展與道路橋梁規(guī)模息息相關(guān)，經(jīng)濟水平的不斷提高對道路橋梁建設(shè)質(zhì)量有了更高的要求。以往的道路橋梁設(shè)計方法存在一定的局限性，無法滿足結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜的設(shè)計要求，工程建設(shè)的總體質(zhì)量便不能夠得到良好的保證。本文基于目前道路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀，深入剖析了結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁工程應(yīng)用的必要性及其應(yīng)用要點，并且對結(jié)構(gòu)化設(shè)計在工程中的具體應(yīng)用進行了說明。

關(guān)鍵詞 道路橋梁 結(jié)構(gòu)化設(shè)計 計算方法 計算模型

中圖分類號：U421 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0100-03

道路橋梁是龐大交通網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分之一，是實現(xiàn)我國經(jīng)濟迅速發(fā)展的強大助力，對改善人們出行和貨物運輸有著重大意義。在道路橋梁工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠很好地優(yōu)化設(shè)計方案，解決工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計難題，保證工程施工順利進行，從而大幅度提升道路橋梁的使用壽命。因此，工程人員應(yīng)當(dāng)提高結(jié)構(gòu)化設(shè)計的重視程度，加強施工前期的結(jié)構(gòu)化設(shè)計工作，切實完善工程設(shè)計方案，為工程高質(zhì)量建設(shè)打好基礎(chǔ)，從而更好地便利人們出行。

1 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計的必要性

結(jié)構(gòu)化設(shè)計即在道路橋梁工程開展的前期準(zhǔn)備工作中，為優(yōu)化工程設(shè)計方案，并在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上不斷完善方案設(shè)計的各關(guān)鍵點，以達到工程順利推進以及提高道路橋梁工程可靠性的目的，是道路橋梁工程中不可忽視的一環(huán)[1]。

1.1 提高施工方案的可行性

施工進展的順利與否同施工方案是否具有可行性有著直接的聯(lián)系，為了提高施工效率以便于按期完成工程進度，必須要確保施工方案具有很高的可行性。結(jié)構(gòu)化設(shè)計明確規(guī)定工作人員需要因地制宜，依據(jù)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及要求并且結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境深入分析不利于施工的風(fēng)險點，采用合理的方案設(shè)計科學(xué)規(guī)避，從而有利于提高施工方案的可行性，避免返工造成工程延期的現(xiàn)象。

1.2 符合設(shè)計的發(fā)展方向

經(jīng)濟及技術(shù)水平飛躍式的發(fā)展使得人們對于道路橋梁的承載能力及功能性有著越來越高的要求，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度逐漸增加，傳統(tǒng)的設(shè)計方案及理念漸漸同科技蓬勃發(fā)展的時代脫軌，不能很好地滿足工程建設(shè)需求[2-3]。而結(jié)構(gòu)化設(shè)計融合了BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云平臺等新興科學(xué)技術(shù)，能夠有效解決因功能需求增加而造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計困難的問題，能夠滿足基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的縱深推進，在一定程度上是未來工程設(shè)計的發(fā)展方向。

2 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計的應(yīng)用要點

2.1 科學(xué)性

道路橋梁質(zhì)量關(guān)系著人們生命財產(chǎn)安全，因此在進行工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計時首先要確保設(shè)計具備科學(xué)性，應(yīng)當(dāng)依據(jù)道路橋梁承載力和其他設(shè)計要求合理設(shè)定混凝土鋪設(shè)厚度、橋梁截面尺寸以及橋梁總體質(zhì)量等等，盡可能地針對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確保設(shè)計方案滿足科學(xué)性。

2.2 實用性

部分設(shè)計人員有時太過于重視橋梁工程的外觀而忽略了橋梁的設(shè)計規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，埋下了不小的安全隱患。因此，在設(shè)計時要著重注意實用性原則，采用簡便的方案實現(xiàn)載荷傳遞，在不超出最大應(yīng)力的前提下，對整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，減輕橋梁質(zhì)量，確保工程的安全性能符合要求。在滿足實用性的基礎(chǔ)之上可以追求美觀性，但也要綜合考慮項目資金，盡量減少生產(chǎn)成本。

2.3 整體性

在進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，盡管是針對各個施工環(huán)節(jié)進行優(yōu)化完善，但設(shè)計人員也應(yīng)當(dāng)結(jié)合項目整體考慮，加強各環(huán)節(jié)設(shè)計之間的聯(lián)系，從而在提高工程整體質(zhì)量同時還可以實現(xiàn)成本節(jié)約。比如，道路橋梁工程的防水性能一般同混凝土材料以及表面平整度相關(guān)，在進行設(shè)計時將混凝土設(shè)計及防水設(shè)計相結(jié)合，既能夠保證良好的防水性能，還可以實現(xiàn)混凝土成本降低的目的。

2.4 可靠性

道路橋梁工程的可靠性主要與結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料質(zhì)量兩者相關(guān)，對后續(xù)能否正常使用有著至關(guān)重要的影響。一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要確保載荷傳遞平穩(wěn)，并且要充分考慮風(fēng)力、雨水腐蝕等因素對承載能力的影響。另一方面，在進行采購作業(yè)時要選取質(zhì)量達標(biāo)的材料，水泥的強度及硬度均要符合要求，避免出現(xiàn)因價格低廉而選用質(zhì)量較差的材料的情況。

3 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計的具體應(yīng)用

3.1 在防水設(shè)計中的應(yīng)用

外部環(huán)境中積水容易導(dǎo)致材質(zhì)腐蝕，導(dǎo)致道路橋梁的功能性喪失，具有不小的安全隱患，因此，良好的防水性能是提高工程可靠性的有效途徑之一。設(shè)計人員在進行防水設(shè)計時首先要保證施工路面的平整度處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，達到良好的混凝土貼合地面效果，其次在施工作業(yè)時要選取良好的施工材料及合理的施工技術(shù)，避免混凝土開裂、收縮等現(xiàn)象的出現(xiàn)，最后建設(shè)完善的排水系統(tǒng)，及時排除路面雨水和雪水，以減少因腐蝕而造成的安全隱患。隨著新工藝、新材料的不斷更新迭代，設(shè)計人員可以把防水性能好的新材料鋪設(shè)于混凝土表面，依據(jù)新工藝在表面形成堅固的防水層，從而提高工程建設(shè)質(zhì)量。

第一，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計增強排水能力。道路橋梁工程在防水設(shè)計方面要將排水設(shè)施作為最主要的預(yù)防性結(jié)構(gòu)，良好的排水設(shè)計能夠迅速減少路橋工程上的積水，避免其對主體結(jié)構(gòu)造成腐蝕或者其他類型的損壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要將橋面上的泄水孔、橫坡以及縱坡等作為重點內(nèi)容，在垂直方向利用泄水孔和泄水管的配合來達到快速的排水。橫坡及縱坡用于使橋面積水在重力作用下匯集到泄水孔的位置。道路工程主要利用設(shè)置在兩側(cè)的排水溝來實現(xiàn)路面排水，在設(shè)計道路工程結(jié)構(gòu)時要重視排水坡度。

第二，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計增強防水能力。道路橋梁工程的防水功能還依賴于其防水層的設(shè)計，在工程實踐中可利用高摻量改性瀝青、聚氨酯防水涂料、防水卷材等實現(xiàn)防水層的設(shè)計和施工。高摻量改性瀝青的粘結(jié)性能優(yōu)秀，對混凝土結(jié)構(gòu)或者水泥結(jié)構(gòu)的粘結(jié)效果突出，并且其成本和防水性都能滿足工程建設(shè)需求，在路橋工程中應(yīng)用廣泛。聚氨酯防水層雖然也具有良好的粘結(jié)效果和防水效果，但是在具體應(yīng)用時會因為混凝土材料碾壓而受損，破壞其防水效果，使用時要充分評估這一風(fēng)險因素。另一種比較適宜的防水設(shè)計方案是在基層鋪設(shè)防水卷材，這種材料具有良好的抗刺破性能和抗拉性能，在路橋施工或者后期的運行過程中都能形成良好的適應(yīng)性。因此，在選擇路橋工程的防水層設(shè)計方案時要綜合考慮可靠性、施工成本以及防水效果三個因素。

3.2 在混凝土設(shè)計中的應(yīng)用

混凝土作為道路橋梁工程的建筑材料對工程質(zhì)量有著決定性的影響，因此需要充分驗證混凝土的材料設(shè)計。一方面，混凝土由水泥、砂石以及膨脹劑等多種原材料經(jīng)嚴格配比制作而成，因此在進行設(shè)計時要依據(jù)工程的設(shè)計需求，合理調(diào)配混凝土原料混合的比例，確保滿足使用需求。另一方面，混凝土通常搭配鋼筋使用，設(shè)計時需要結(jié)合道路橋梁荷載分布，合理設(shè)置鋼筋數(shù)量及分布間距，通過合理增加混凝土質(zhì)量以及鋼筋科學(xué)預(yù)埋增強道路橋梁承載能力，提升工程質(zhì)量。從結(jié)構(gòu)化設(shè)計的角度看，道路橋梁的樁基、墩臺、箱梁等大體積混凝土結(jié)構(gòu)是設(shè)計的重點，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后要實現(xiàn)承載力、抗凍性、抗裂性等多方面的性能指標(biāo)。例如，橋梁結(jié)構(gòu)的箱梁在長期使用過程中受到載荷作用，如果采用常規(guī)的平直結(jié)構(gòu)，梁體的兩個端頭分別搭載在橋墩上，載荷作用于其中部位置時會產(chǎn)生較大的力矩作用，這樣容易導(dǎo)致其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。工程實踐中主要采用預(yù)應(yīng)力箱梁的設(shè)計方案來抵消這種力矩作用，也就是在澆筑混凝土之前預(yù)先埋設(shè)紋波管、預(yù)應(yīng)力筋，然后采用先張法或者后張法張拉預(yù)應(yīng)力筋，進而使混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形成向上的拱度，由于箱梁是對稱結(jié)構(gòu)，拱度的最高點恰好位于箱梁的中部，而產(chǎn)生最大力矩的作用點也是這一位置，這便是預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土結(jié)構(gòu)提升公路橋梁承載力的原理。

3.3 在防震設(shè)計中的應(yīng)用

為了保證地震來臨時道路橋梁的穩(wěn)定性，在進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計時需要加強工程防震能力的提升。例如，合理設(shè)定橋梁高度，過高則容易引起不穩(wěn)，因此在滿足使用要求的前提之下，應(yīng)當(dāng)盡量降低橋梁高度;在進行工程基礎(chǔ)施工階段，應(yīng)當(dāng)在鋼筋焊接部位額外加焊支架，用來加強固定從而提升整體的穩(wěn)定性;在材料采購時，要嚴選嚴控質(zhì)量，并在進入施工現(xiàn)場前要加強材質(zhì)抽檢工作，打牢工程高質(zhì)量建設(shè)的材料基礎(chǔ)等等。

3.4 樁基設(shè)計

以路橋基礎(chǔ)設(shè)計為例，當(dāng)施工區(qū)域的地質(zhì)條件不佳，如存在膨脹土或者軟土地質(zhì)時，為了預(yù)防其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在后期的使用過程中出現(xiàn)顯著的沉降，工程上通常采用樁基設(shè)計方案，常用的樁基類型包括鉆孔灌注樁、預(yù)制鋼筋混凝土打入樁等。在設(shè)計樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時要綜合考慮其承載能力、抗震烈度以及環(huán)境耐受力等因素。第一，確定最佳的混凝土強度等級。樁基的截面積及其在投用之后的最大載荷需求等決定了混凝土強度等級，具體采用哪一種強度等級，要經(jīng)過嚴格的工程學(xué)計算，以具體的數(shù)據(jù)來說明問題，單樁承載能力是通過類似的方式來計算出來的。第二，抗震烈度設(shè)計。樁基礎(chǔ)不同于一般的路橋結(jié)構(gòu)，一旦樁基礎(chǔ)因為抗震的作用而產(chǎn)生開裂或者破損，最終會嚴重威脅到上層構(gòu)筑物的安全性。在設(shè)計樁基礎(chǔ)時要根據(jù)當(dāng)?shù)氐目拐鹆叶纫髞泶_定這一關(guān)鍵參數(shù)。

3.5 橋墩設(shè)計

橋墩是橋梁工程中非常關(guān)鍵的一個結(jié)構(gòu)，相鄰的兩孔橋跨搭載在橋墩上，因而橋墩是路橋工程上層構(gòu)筑物的力學(xué)承載結(jié)構(gòu)，由于其高度和截面積較大，在側(cè)方向上還承載著一定的風(fēng)力作用。其在結(jié)構(gòu)上主要分為三個組成部分，分別為承臺、墩身以及最上層的臺帽。在橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計中首選要考慮到其整體的承載力是否滿足要求，通過計算確定出承臺的寬度、高度以及混凝土澆筑的厚度。另外，橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中除了要滿足工程力學(xué)方面的要求外，還應(yīng)該重視其視覺上的協(xié)調(diào)性和美觀性，例如，可將部分蓋梁高度隱藏到梁體內(nèi)部。橋墩位于橋面的底部，在設(shè)計時要考慮到車輛通行的需求，因而其寬度、高度以及間距等都是設(shè)計重點。

4 結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁設(shè)計中的計算方法

4.1 圖解法

該計算方法是把任何兩個設(shè)計變量作為橫縱對比標(biāo)準(zhǔn)，然后聯(lián)合變量的具體數(shù)據(jù)參數(shù)來制作坐標(biāo)系內(nèi)的圖形。此時所說的結(jié)合變量是變量含水不等式，從而可以得到坐標(biāo)系內(nèi)兩種變量約束的區(qū)域，從而就能直接繪制出目標(biāo)含水等值線。這樣操作之下，就能夠確定其切點，然后明確目標(biāo)函數(shù)參數(shù)值。這一計算方式被廣泛應(yīng)用，主要是在道路橋梁二維設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)用較多。

4.2 求解函數(shù)極值法

極值法在應(yīng)用時，需要將結(jié)構(gòu)內(nèi)的設(shè)計變量函數(shù)不等式作為等式使用，就可以獲得變量參數(shù)值，從而得到函數(shù)的機制。

4.3 同態(tài)設(shè)計法

和極值法是相似的，這一方法的應(yīng)用要把不等式作為等式使用，可以減小設(shè)計空間，從而提升設(shè)計計算的總體水平。分析后發(fā)現(xiàn)，雖然該方式計算后得到的參數(shù)值和原值對比，并不能簡化計算方法，能夠得到完善的數(shù)據(jù)，所以被廣泛應(yīng)用。

4.4 網(wǎng)絡(luò)搜索方法

這是一種非常原始的方法，其直觀性非常好，能夠快速的確定道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計方案，從而實現(xiàn)最優(yōu)化解釋。但是在具體應(yīng)用中，卻有較高的復(fù)雜性。在實際操作中，需要將存在的設(shè)計問題實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)變，根據(jù)特有的定律實現(xiàn)某個變量的固定。但是要注意，驗算方法應(yīng)用中，還要按照規(guī)定的順序進行，以獲取最優(yōu)解釋。

5 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計中常見的計算模型分析

5.1 基于簡化材料、荷載結(jié)構(gòu)的計算模型

道路橋梁設(shè)計時要從簡化材料、荷載結(jié)構(gòu)計算模型等方面出發(fā)進行，工作人員通過有限參數(shù)模擬無限可能性，同時需要假設(shè)設(shè)計材料具備理想的塑性、彈性等特點。結(jié)構(gòu)化的材料要保證荷載能夠模擬計算分析，讓該操作變得更加的簡單，且符合設(shè)計工程建設(shè)和施工的需要，設(shè)計人員還應(yīng)該在模型選擇前進行必要的分析與研究，尤其是對于橋梁結(jié)構(gòu)的受力數(shù)據(jù)收集與分析，展開全面的調(diào)查分析，掌握現(xiàn)場的各項技術(shù)參數(shù)，制定出切實可行的計算模型，對于提升道路橋梁設(shè)計水平有著重要的幫助。

5.2 基于離散化結(jié)構(gòu)的計算模型

道路橋梁的設(shè)計環(huán)節(jié)，選擇應(yīng)用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計理念和思路，把整個結(jié)構(gòu)部分調(diào)整為有限的結(jié)構(gòu)部分，然后對于該道路橋梁項目實現(xiàn)離散化的劃分養(yǎng)護設(shè)計，以更好的減小各個結(jié)構(gòu)受力條件分析的難度，從而制定出切實可行的道路橋梁設(shè)計方案，滿足現(xiàn)場施工要求。

5.3 基于模型化結(jié)構(gòu)的計算模型

道路橋梁設(shè)計中，力學(xué)原理應(yīng)用的較多，為了提高道路橋梁設(shè)計水平，達到科學(xué)性、合理性的要求，設(shè)計人員應(yīng)該綜合分析橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化規(guī)律，將設(shè)計思路轉(zhuǎn)化為設(shè)計模型，這種模型處理的方式就會讓設(shè)計變得更加的科學(xué)合理，施工難度大幅下降，對于提高道路橋梁的質(zhì)量水平有重要作用。

6 結(jié)語

總而言之，道路橋梁作為基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，其工程質(zhì)量的高低逐漸受到社會的關(guān)注，與人們的美好生活密不可分。結(jié)構(gòu)化設(shè)計是提升道路橋梁工程質(zhì)量的有效手段，能夠大幅度地提升工程可靠性。因此，相關(guān)設(shè)計人員需要依據(jù)自身的工程實際，切實完善結(jié)構(gòu)化設(shè)計細節(jié)，促進道路橋梁工程更加的科學(xué)合理，為人們的安全便利出行打好基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 朱小萍，姜洋.結(jié)構(gòu)化設(shè)計在公路橋梁設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].交通世界，2021（19）：138-139.

[2] 魏文財.試論結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁設(shè)計中的應(yīng)用[J].四川水泥，2021（01）：240-241.

[3] 尹常青.結(jié)構(gòu)化設(shè)計在路橋設(shè)計中的應(yīng)用未探[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2021（11）：82-83.