橋梁結構優化設計

　　橋梁結構優化設計【1】

　　摘要：本文作者結合實際工作經驗，對大跨度橋梁優化設計進行了分析探討，提出了自己的看法。

　　關鍵詞：橋梁結構;優化設計

　　隨著我國交通事業的快速發展，大跨度橋梁的發展也十分迅速。

　　如何在滿足結構使用要求的前提下對橋梁結構進行合理的優化設計已經成為目前大跨度橋梁設計的重要內容。

　　目前的橋梁技術雖然已經能夠很好的解決大跨度橋梁現存的問題，但是隨著橋梁跨度的不斷增加，向著更長、更大、更柔方向發展，為了保證其建設的可靠性、耐久性、行車的舒適性、施工的簡易性以及美觀性，橋梁設計以及施工人員還有更多的工作要做。

　　而大跨度橋梁結構優化設計的過程，也是為了更好的處理和解決橋梁結構的安全性、適用性以及經濟合理性、美觀性的過程。

　　下面就對其設計要點進行一一闡述。

　　1 大跨度橋梁結構優化設計

　　1.1 局部優化

　　大跨度橋梁的局部優化雖然不能等同于整體，但是卻優于整體，可以更好的促進橋梁結構的發展。

　　因為對局部的優化設計變量相對較少而使研究的難度大大減小，研究的深度因而能更透徹。

　　目前針對大跨度橋梁的局部結構進行優化設計研究已涉及到大跨度橋梁結構設計及施工的各個方面，主要有：加勁梁橫截面的優化，斜拉索或主纜的動力優化，索力調整優化，索塔的結構優化，斜拉索和吊索錨固的優化，懸索橋錨錠的優化，橋墩及基礎優化。

　　1.1.1加勁梁橫截面的優化

　　大跨度橋梁的加勁梁主要是由鋼梁、混凝土梁、混合梁和疊合梁。

　　就目前建成的大跨度橋梁中，主跨梁的主要形式多數以鋼梁為主，鋼梁與混凝土結合梁以及混凝土梁較少且相對較小。

　　1.1.2斜拉索或主纜的動力優化

　　由于斜拉橋和懸索橋是當前大跨度橋梁建設的主要橋式，兩者具有共同的特點，即都是由纜索支承，且橋面柔軟，屬于柔性結構，其阻尼值較低。

　　在外部激勵下，拉索極易出現大幅度的振動，如風雨交加時出現的主梁和拉索之間的耦合振動引起的參數共振、拉索的自激振等等。

　　拉索的大幅度振動極易引起拉索錨固端的疲勞、降低了拉索的使用壽命，嚴重時甚至會直接影響橋梁結構的安全系數。

　　由此可見，大跨度橋梁的動力問題極其重要。

　　1.1.3索塔結構優化

　　索塔的結構優化主要是塔高和受力合理性的優化。

　　塔的高度越高給施工帶來的難度也就越大，塔太矮也會直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。

　　因此，單獨的對塔高進行優化是不明智的，應該與大跨度橋梁的其他部分整合起來綜合考慮。

　　塔的受力合理性與他的結構形式、纜索形式、纜索的錨固形式以及錨固點的分布狀況有著直接或間接的關系，因此索塔受力的合理性優化也是大跨度橋梁結構設計中不可缺少的一部分。

　　1.1.4橋墩及基礎的優化

　　橋墩以及基礎是橋梁重要支撐結構，也是橋梁下部結構中的重要組成部分，對橋梁的穩固性起著重要的作用，因此橋墩及基礎不論在數量、位置、還是結構形式上，都對橋梁的穩固、耐久有直接的影響，但對橋梁上部結構的影響較小。

　　因此，在對橋墩和基礎進行設計時，應針對具體的橋梁進行考慮。

　　1.2 整體優化

　　大跨度橋梁都為高次超靜定結構，結構復雜，設計變量多，建設和設計工作又涉及到多方面的因素。

　　因此，要對其進行全面整體的優化或全過程的優化依然存在困難。

　　這種困難不僅在于其目標函數的建立，也在于對已建立的目標函數尋求最優解的計算速度和可能性。

　　為此，對大跨度橋梁結構的優化研究多以局部優化為主。

　　但是綜合評價一座橋梁的優劣不是僅僅憑借局部的進行評判，而是要看整體的效果和運營，因此對橋梁的整體結構進行優化設計存在著一定的難度。

　　目前對大跨度橋梁的整體優化主要有以下幾個方面：整體造價最優，整體動力性能優化，整體施工工藝優化，橋梁結構優化設計與景觀優化設計相協調。

　　1.3 橋梁上部結構優化

　　上部構造形式的選擇，應結合橋梁具體情況，綜合考慮其受力特點、施工技術難度和經濟性。

　　簡支空心板結構的橋型，施工方便，施工技術成熟;但跨徑小，梁高大;由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協調，美觀性差;上部構造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數量增加;橋面伸縮縫多，行駛條件差。

　　因而，在山區大跨度中，該類橋型一般用于地形相對平緩、填土不高的中、小橋上。

　　預制拼裝多梁式T梁在中等跨徑橋中具有造價省、施工方便的特點，其造價低于整體式箱梁，是中等跨徑直梁橋的常用橋型。

　　但對于曲線梁來說，T梁為開口斷面，抗扭及梁體平衡受力能力均較箱梁差，曲梁的彎矩作用對下部產生的不平衡力大。

　　但當曲線橋的彎曲程度較小時，曲線T梁橋采用直梁設計，以翼緣板寬度調整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上可彌補曲線T梁橋受力和施工上的不足。

　　雖然直線設置的曲線橋仍有部分恒載及活載不平衡影響及曲線變位存在，但較曲線梁小。

　　此外，可以采取加強橫向聯系的措施，提高結構的整體性。

　　對于大跨徑橋梁，最好采用懸臂澆筑箱梁。

　　但是對于中等跨徑的橋梁，箱梁橋不論采取何種施工方式，費用都較高，與預制拼裝多梁式T梁相比，處于弱勢。

　　1.4 橋梁下部結構優化

　　下部結構應能滿足上部結構對支撐力的要求，同時在外形上要做到與上部結構相互協調、布置均勻。

　　橋墩視上部構造形式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種形式。

　　柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式，其自重輕，結構穩定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀。

　　對于連續剛構橋，要注意把握上下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度比，減小下部結構的剛度，可減小剛結點處的負彎矩，同時減小橋墩的彎矩，也可減小溫度變化所產生的內力。

　　但是橋墩也不可以太柔，否則會使結構產生過大變形，影響正常使用，并不利于結構的整體穩定性。

　　對于高墩，除了要進行承載能力與正常使用極限狀態驗算外，還要著重進行穩定分析。

　　對于連續梁結構或連續剛構橋，各墩的穩定性受相鄰橋墩的制約影響，應取全橋或至少一梁作為分析對象。

　　穩定分析的中心問題就是確定構件在各種可能的荷載作用和邊界條件約束下的臨界荷載，下面以連續梁為例進行說明。

　　介于梁、墩之間的板式橡膠支座，梁體上的水平力H(車輛制動力和溫度影響力等)是通過支座與梁、墩接觸面上摩阻力而傳遞給橋墩的，它不但使墩頂產生水平位移，而且板式橡膠支座也要產生剪切變形。

　　當梁體完成水平力的傳遞以后，梁體暫時處于一種固定狀態，但由于軸力及墩身自重的影響，墩頂還會繼續產生附加變形，這就使得板式支座由原來傳遞水平力的功能轉變為抵抗墩頂繼續變形的功能，支座原來的剪切變形先恢復到零，逐漸達到反向的狀態。

　　2 結束語

　　隨著交通事業的快速發展，近年來，大量的大跨度橋梁相繼建成，其結構形式也趨于多樣化、復雜化，而且大跨度橋梁的安全運營也關系到整個交通運輸事業的發展。

　　但是，隨著大跨度橋梁的運營過程中，隨著年限的增長、運輸量的逐漸增加，都使得橋梁的結構出現各式各樣的問題，怎樣杜絕或者延緩這些問題的發生，首先要在橋梁最初的設計階段，對其結構進行優化設計，減少因為設計影響橋梁后期運營的情況發生。

　　參考文獻：

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　　橋梁結構優化設計研究【2】

　　摘 要：橋梁工程是由許多結構構件組成的系統結構，是城市基礎設施中一個重要的組成部分，其結構設計是否科學合理，直接決定了橋梁的安全性、實用性和耐用性。

　　文章通過對橋梁結構設計的介紹，探討一下橋梁設計的問題及優化方案。

　　關鍵詞：橋梁結構;優化設計;問題

　　1 現階段橋梁結構設計面臨的問題

　　1.1 橋梁設計缺乏先進的理論基礎和完善的結構體系

　　目前在我國，一些橋梁設計人員在結構設計時存在對橋梁結構的整體性、安全性和耐久性考慮片面，部分橋梁結構的整體性延性不足，計算圖式和受力路線不明確，主要會引起：結構局部受力過大，應力集中;混凝土強度要求過低;保護層厚度過小;構件截面過小或過大等問題。

　　這些問題都會削弱橋梁結構的耐久性，會嚴重影響橋梁的安全。

　　此外，一些橋梁設計人員缺少動態思維方式。

　　在針對不同的環境、不同的使用條件和不同的設計對象時，不能根據變化因素對結構體系做出合理的應對措施。

　　在新技術、新材料、新工藝快速發展的情況下，對結構設計也提出了新要求，這時候設計人員的創新意識和與時俱進的設計理念就尤為重要了。

　　在結構體系上，目前的橋梁設計普遍的缺乏整體的設計規劃，過于偏重設計建成時期結構的工作和服務能力，而對其他時期的性能變化沒有更為全面的考慮。

　　橋梁工程是一個由許多結構構件組成的一個系統結構，設計人員要用動態思維去解決面臨的發展技術問題，要盡可能的將未來所面臨的問題計算在內，保證橋梁設計結構體系的完整性。

　　1.2 橋梁結構的可靠性和耐久性問題

　　橋梁結構可靠性的概念是：在規定的服役基準期內，在正常使用和維護的情況下，結合環境和結構抗力衰退等因素的影響，橋梁結構在服役期過后的后續服役期內能完成預計功能的能力。

　　我國橋梁結構設計可靠性的重視程度大于耐久性，重視強度極端狀態而不重視使用極限狀態，重視橋梁結構的建造而忽視檢測和維修，不少大橋坍塌都是由于構件疲勞損壞所引起，影響了橋梁的承載能力和使用性能。

　　橋梁在建造和使用過程中，受到了外部和自身環境的影響導致結構各部分不同程度的損傷和劣化，有些橋梁僅用10年左右的時間就因為耐久性出了問題而影響結構安全。

　　結構耐久性不應成為橋梁結構最普遍的一個安全問題，設計時要從結構構造、材料等角度采取措施來加強結構耐久性。

　　1.3 橋梁結構的疲勞損傷問題

　　橋梁結構的疲勞損傷，是由于橋梁所采用的材料不均勻和不連續，存在許多微小的缺陷，在荷載反復作用下，這些微小缺陷會逐漸變化形成損傷，并逐漸在材料中形成大面積裂紋，裂紋得不到有效控制，極有可能會引起材料、結構因脆弱而斷裂，造成嚴重后果。

　　對疲勞損傷的研究不僅僅針對整體橋梁結構，實際上橋梁結構常常由于某些關鍵部位的局部疲勞而導致整體結構的失效。

　　近幾年，我國發生過幾次大的橋梁事故，都是因為結構疲勞損傷的情況引起的。

　　另外，超載也是導致橋梁結構疲勞損傷的重要原因。

　　2 橋梁設計中應注意的具體問題及解決方法

　　2.1 設計地基高度的調整

　　地基是橋梁施工中最重要的工作之一，地基高度的不合理，給橋梁結構建設帶來很多不安全因素。

　　由于地基土層極易風化，如果解決的不合理，就會導致地基不夠堅實，地基下沉甚至地基崩潰等后果。

　　首先，用封閉的防水技術，可以增強橋梁地基的穩固性能，標高地基高度，以此來保護橋梁地基強度。

　　其次，設計人員應把握好地基高度，在設計階段，就應當考慮上部結構，基礎和地基共同作用，必要時采取有效措施加強上部結構的強度，可以增加建造物對地基不均勻變形的適應能力。

　　2.2 混凝土裂縫的寬度調整

　　裂縫是混凝土構件不可避免的特征，不僅影響結構的美觀，而且會導致構件承載能力和耐久性等性能的下降。

　　我國橋梁規范中根據構件類型和環境類別對裂縫寬度進行了嚴格規定，強化控制混凝土裂縫的寬度可以使橋梁承載能力得到提升，耐久性更有保障。

　　混凝土裂縫寬度的設計，可通過采用結構局部預防力、調整鋼筋布設位置和加強混凝土截面剛度等方法來控制混凝土裂縫的寬度。

　　3 橋梁結構設計的優化措施

　　在這里我們探討的是基于可靠性的優化設計。

　　這種優化模式是由Forscll最先提出來的，他把使總耗費(初始投資與期望損失值之和)最小化作為優化目標，主要研究了可靠性與優化之間的關系。

　　他指出，用整個橋梁結構失效概率作為功能約束的優化過程應該產生出更加平衡與合理的安全度相一致的設計。

　　他認為，科學的優化設計應該考慮橋梁結構在各種荷載作用下的性能，同時橋梁結構的服役期很長，如果不加維修，它的功能一定會越來越衰退，所以必然要及時采取相應的維修和加固的措施。

　　不難理解，橋梁結構設計可靠度標準越高，建造橋梁結構的原始成本就越少。

　　所以會存在一個最優化設計可靠度，在這個標準下，橋梁結構服役期的總耗費是最小的。

　　3.1 充分重視橋梁結構的耐久性設計

　　現行規范對橋梁設計的要求是適用、經濟、安全、美觀，對橋梁的強度考慮多于耐久性，對使用周期中橋梁的性能表現相當重視而忽視使用極限狀態和對結構的維護。

　　這種傾向很大程度上造成了工程事故頻發、橋梁結構質量差，性能不穩定、使用年限短等不良后果。

　　設計人員應該從思想上改變這種傾向，充分重視對橋梁結構耐久性的設計，不但讓它在服役期內安全可靠的工作，同時要最大限度的延長它的衰退期，安全使用的年限越長，則其經濟性和實用性越優化。

　　3.2 重視對疲勞損傷的研究

　　橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產生循環變化的力量，會引起結構的震動，也會引起結構的積累疲勞損傷。

　　在循環荷載作用下，這些缺陷會逐漸形成宏觀裂紋，如果得不到控制，會引起材料和結構的斷裂。

　　早期的疲勞損傷不易被檢測到，但帶來的后果是不堪設想的。

　　設計人員要充分重視對疲勞損傷的研究，盡量把疲勞損傷的因素消除，把造成不良后果的可能性降到最低，避免造成不可彌補的損失。

　　3.3 重視對橋梁超載問題的研究

　　3.3.1 橋梁年限過長，超齡負載使用。

　　3.3.2 橋梁同時通行的車流量超過可承載的最大限值。

　　3.3.3 車輛違規超載。

　　超載一方面會引起橋梁結構的疲勞損傷問題，另一方面，由于超載引起的橋梁內部結構的損傷不能恢復，使其工作狀態發生變化，危害橋梁結構的安全性和耐用性。

　　所以，在橋梁設計中應重視對橋梁超載問題的研究，充分考慮社會、經濟、環境、地域等因素的影響，把超載問題納入橋梁結構設計中來。

　　3.4 施工中所能涉及到的優化設計

　　3.4.1 斜腹桿混凝土受拉開裂處理問題設計：應采用局部預應力的方法，也就是橋梁只在斜腹桿內布置冷拉級預應力鋼筋，拱片預制成型后張拉錨固，這樣就大大降低了斜腹桿拉應力和混凝土裂縫開展寬度。

　　3.4.2 泥巖地基處理問題設計：此基礎的設計應采用巖面防水封閉技術，當基坑挖至設計標高后，經平整和清理基底后，快速的澆筑封底防水混凝土以保護地基。

　　這一措施可以防止表層地基土膨化、保持地基土的強度。

　　3.4.3 竣工階段橋墩抗推問題設計：可在墩頂增設臨時的水平拉桿，另一端與橋臺錨固，臨時支架拆除前進行預張拉。

　　這樣，墩基底的應力及抗滑穩定都能夠滿足規范的要求。

　　4 結束語

　　橋梁對我國現階段的交通運輸發揮著巨大的作用。

　　我們在認識交通運輸對橋梁作用的同時，還要積極的探討它在橋梁設計理論和結構構造體系、耐久性、疲勞損傷、超負荷作業等方面的一系列問題，只有這樣我們才能進一步地提高我國橋梁設計的技術水平，增加橋梁的使用壽命，并在節省維修資金的基礎上，有效的保證其質量，為國家的經濟發展做出貢獻，也為人們提高生活質量提供有利保障。

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