结构化设计在道路桥梁设计中的应用研究

文/胡君胜 安徽国顺交通咨询设计研究院有限公司 安徽合肥 230000

结构化设计是一种具有高连续性特征的设计方法，可以根据整个工程的荷载、工程整体结构来分析工程各部位的受力范围、压力数值等，之后针对分析结果对工程每个结构进行设计。该方法的应用在现代道路设计中十分常见，可以对原有设计结构进行优化，降低整体工程的成本总量、提高工程安全水平，因此，结构化设计的应用价值较高。

1、道路设计中结构化设计步骤

1.1 模型建设

在结构化设计应用当中，模型构建是基础工作。通过建模可以得到道路整体或某部位的模型，模型可以计算得出当前工程载荷因素表现，对于表现不佳的部位进行优化即可。关于模型建设工作，主要分为3个步骤，即离散化设计、模型化设计、模型简化设计，具体内容见下文。

1.1.1 离散化设计

离散化设计主要针对道路整体结构，通过细化方法将其变为多个离散结构，再从数学视角上将其原有的无限自由度调整为有限自由度，在此前提下，设计人员可以根据载荷数据，判断每个结构承受载荷是否会导致结构变化是否会超出有限自由度界限，如果超出，则说明结构质量不佳，相应对其进行初步调整，使结构在理论上达到合理水平。

1.1.2 模型化设计

在离散化设计初步调整之后，需要进行模型化设计，因为离散化调整只能实现理论合理化设计，这种设计结构在实际条件下，可能会存在内部矛盾现象，说明其还存在优化空间，那么通过模型化设计则可以继续对其进行优化。在模型化设计当中，主要从力学表现方面着手，结合实际条件分析道路工程内在的受力规律，同时了解其中是否存在矛盾点，例如道路工程中，某个结构本身载荷能力良好，但其设计位置导致受力方向偏移，无法完全发挥载荷，就有必要进行调整。

1.1.3 模型简化设计

在模型化设计完成之后，道路结构化模型建设工作基本完成，但近年来，随着道路工程的发展，工程体积逐渐增大，导致模型化设计得出的模型十分复杂，如果直接应用会导致施工效率缓慢，因此需要将其简化应用。在模型简化当中，主要从载荷表现以及材料用量方面着手，根据实际需求来排除模型中不必要的部分，例如模型中某结构部位存在过多的弯曲，那么减少其中不必要的弯曲，可以使模型简化，同时降低实际建设的材料用量[1]。

1.2 模型计算

在得到相应模型之后，需要对模型进行计算，那么在计算方法上，为了确保模型与实际环境相符，要重点选择计算方法，对此下文将分析两种常见模型计算方法，即图解法、求解函数极值法。

1.2.1 图解法

将模型中任意两个设计变量设定为横、纵坐标，此时根据变量与周边因素的影响关系，可以得到相应的图像，此时通过变量函数不等式，来计算坐标中两个变量的约束范围，并画出目标函数的等值线，最终即可得到目标函数值，根据目标函数值可以确认模型与实际条件的差异。图解法在现代结构化设计当中应用的较为普遍，但其过程较为复杂，需要操作人员具有较高专业水平才能实现。

1.2.2 求解函数极值法

将结构化设计中存在得变量函数不等式转化为等式，此时可以实现设计空间缩小要求，此时根据计算后的设计空间界限，可以区分得到每个变量的大小。该方法在应用流程上较为简单，但无法与原值直接比较，所以直观性较弱。

2、不同道路中结构化设计的应用

2.1 防水结构设计

道路工程体积庞大，所以其面临的环境十分复杂，会面临各种设计与施工问题，例如雨水或其他水源造成的积水，此现象会带来水体侵蚀问题，对工程质量有着重大的负面影响，为了确保工程质量，避免水体对工程造成影响，有必要在设计工作当中进行防水设计，而因为防水设计与道路主体连为一体，所以设计结果被视为工程结构之一，可以采用结构化设计来开展相应工作。在防水结构设计当中，其工作目的主要在于排水，即将工程主体的积水排除，以避免水体侵蚀，具体措施上，重点针对工程路面、路基两个易出现积水的部位进行设计，其中路面设计时，可以设计排水孔，并对路面倾斜度进行调整，此项设计可以利用水体自流效应来实现排水；在路基设计方面，可以设计钢筋网结构，通过钢筋网结构，可以有效避免路基裂缝，避免其内部受到水体影响，对于整体工程质量有巨大帮助[2]。

此外在防水结构设计方面，还要重视相应的标准，即任何形式的设计都必须保障结构的整体性，以免出现裂缝或力学性能不佳的现象；结构扩展性与抗拉强度必须满足载荷要求，且介于道路工程的功能，其载荷要求是动态性的，所以计算出动态载荷范围后再进行设计；排水孔以及管道的设计规划要合理，应当同时兼顾交通需求以及排水需求。

2.2 钢筋结构设计

钢筋是道路框架建设的主要材料，其对于工程质量的影响很大。在钢筋设计当中，要重视钢筋结构整体稳定性、保护层厚度，在钢架结构整体稳定性方面，主要针对整体结构的节点，检查其是否达到了平衡状态，如不平衡则需要进行调整，同时检查调整后是否存在新的问题；针对保护层厚度方面，主要根据载荷要求、外界因素影响来设定。此外，关于钢筋保护层设计方面，还要重视结构配筋问题，因为当配筋出现不良表现，很可能造成保护层开裂，对此应当依照实际需求对配筋结构进行控制，在上述设计要求均被满足的前提下，可以对道路工程整体质量起到保障作用。

2.3 混凝土结构设计

混凝土同样是道路框架建设的主要材料，所以有必要进行结构化设计工作。在混凝土设计方面，主要需考虑混凝土强度、用量以及性能问题，在设计当中，首先对混凝土配比进行设计，控制水泥强度等级、水灰比参数等，同时针对减水剂等辅助原料，要重视其用量控制，其次需要对混凝土的性能进行控制，即确认混凝土耐久性、稳定性等，如果不满足则需要调整，最终依照钢筋结构设计框架以及保护层厚度需求来设计混凝土结构，此举可保障混凝土与钢筋结构相符合，降低裂缝等不良影响的发生概率。

2.4 主梁结构设计

主梁是道路工程中十分重要的结构，同时也是受力最大的结构，该结构一旦出现问题，很容易造成严重的大型安全事故，所以应当引起重视。在主梁结构设计中，由于当前常用的装配式简支梁结构，要重视其设计形式以及装配位置，在设计形式方面，常见的设计形式为箱型、T型，应当根据工程整体应力分布来进行选择，同时无论采用哪种结构，都应当对其尺寸、高度进行控制，即根据实际载荷表现，计算主梁结构需要具备的载荷力，再结合材料强度来计算出其厚度与高度，计算方法方面可以采用杠杆法或偏心受压，其中杠杆法应用效果最佳；在装配位置方面，因为主梁结构装配位置不当，会导致载荷发生实际变化，所以必须进行设计，但此项设计较为简单，即根据设计形式选择时的载荷数据，确认装配位置的整体载荷，如果载荷超过设计形式选择时的载荷数据，则需要进行调整。

3、结构化设计应注意的问题

在道路结构化设计工作中，要遵守相应得原则，具体内容包括桥梁结构选择、桥梁横截等。在桥梁结构选择方面，除了要保障结构满足载荷要求以外还要求设计人员围绕成本造价进行控制，尽可能降低桥梁节后得重量；在桥梁横截方面，因为不良桥梁横截会导致应力结构发生变化，所以为了确保变化为良性，有必要进行控制，控制原则上，可以采用对称设计。图1对称桥梁横截设计。

图1 对称桥梁横截设计

结语：

本文主要对结构化设计在道路设计中的应用进行了分析，通过分析了解了结构化设计在道路设计中应用步骤，同时介绍了模型简化与计算方法；了解了不同道路中结构化设计的应用，说明结构化设计可以应用在所有道路设计要求中；并提出了在结构化设计过程中需注意的几个关键点。