桥梁结构优化设计

桥梁结构优化设计

　　桥梁结构优化设计【1】

　　摘要：本文作者结合实际工作经验，对大跨度桥梁优化设计进行了分析探讨，提出了自己的看法。

　　关键词：桥梁结构;优化设计

　　随着我国交通事业的快速发展，大跨度桥梁的发展也十分迅速。

　　如何在满足结构使用要求的前提下对桥梁结构进行合理的优化设计已经成为目前大跨度桥梁设计的重要内容。

　　目前的桥梁技术虽然已经能够很好的解决大跨度桥梁现存的问题，但是随着桥梁跨度的不断增加，向着更长、更大、更柔方向发展，为了保证其建设的可靠性、耐久性、行车的舒适性、施工的简易性以及美观性，桥梁设计以及施工人员还有更多的工作要做。

　　而大跨度桥梁结构优化设计的过程，也是为了更好的处理和解决桥梁结构的安全性、适用性以及经济合理性、美观性的过程。

　　下面就对其设计要点进行一一阐述。

　　1 大跨度桥梁结构优化设计

　　1.1 局部优化

　　大跨度桥梁的局部优化虽然不能等同于整体，但是却优于整体，可以更好的促进桥梁结构的发展。

　　因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小，研究的深度因而能更透彻。

　　目前针对大跨度桥梁的局部结构进行优化设计研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面，主要有：加劲梁横截面的优化，斜拉索或主缆的动力优化，索力调整优化，索塔的结构优化，斜拉索和吊索锚固的优化，悬索桥锚锭的优化，桥墩及基础优化。

　　1.1.1加劲梁横截面的优化

　　大跨度桥梁的加劲梁主要是由钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。

　　就目前建成的大跨度桥梁中，主跨梁的主要形式多数以钢梁为主，钢梁与混凝土结合梁以及混凝土梁较少且相对较小。

　　1.1.2斜拉索或主缆的动力优化

　　由于斜拉桥和悬索桥是当前大跨度桥梁建设的主要桥式，两者具有共同的特点，即都是由缆索支承，且桥面柔软，属于柔性结构，其阻尼值较低。

　　在外部激励下，拉索极易出现大幅度的振动，如风雨交加时出现的主梁和拉索之间的耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振等等。

　　拉索的大幅度振动极易引起拉索锚固端的疲劳、降低了拉索的使用寿命，严重时甚至会直接影响桥梁结构的安全系数。

　　由此可见，大跨度桥梁的动力问题极其重要。

　　1.1.3索塔结构优化

　　索塔的结构优化主要是塔高和受力合理性的优化。

　　塔的高度越高给施工带来的难度也就越大，塔太矮也会直接降低拉索的工作效率，增加了主梁和拉索的受力。

　　因此，单独的对塔高进行优化是不明智的，应该与大跨度桥梁的其他部分整合起来综合考虑。

　　塔的受力合理性与他的结构形式、缆索形式、缆索的锚固形式以及锚固点的分布状况有着直接或间接的关系，因此索塔受力的合理性优化也是大跨度桥梁结构设计中不可缺少的一部分。

　　1.1.4桥墩及基础的优化

　　桥墩以及基础是桥梁重要支撑结构，也是桥梁下部结构中的重要组成部分，对桥梁的稳固性起着重要的作用，因此桥墩及基础不论在数量、位置、还是结构形式上，都对桥梁的稳固、耐久有直接的影响，但对桥梁上部结构的影响较小。

　　因此，在对桥墩和基础进行设计时，应针对具体的桥梁进行考虑。

　　1.2 整体优化

　　大跨度桥梁都为高次超静定结构，结构复杂，设计变量多，建设和设计工作又涉及到多方面的因素。

　　因此，要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。

　　这种困难不仅在于其目标函数的建立，也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。

　　为此，对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。

　　但是综合评价一座桥梁的优劣不是仅仅凭借局部的进行评判，而是要看整体的效果和运营，因此对桥梁的整体结构进行优化设计存在着一定的难度。

　　目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面：整体造价最优，整体动力性能优化，整体施工工艺优化，桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。

　　1.3 桥梁上部结构优化

　　上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。

　　简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟;但跨径小，梁高大;由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差;上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加;桥面伸缩缝多，行驶条件差。

　　因而，在山区大跨度中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。

　　预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。

　　但对于曲线梁来说，T梁为开口断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。

　　但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。

　　虽然直线设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。

　　此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。

　　对于大跨径桥梁，最好采用悬臂浇筑箱梁。

　　但是对于中等跨径的桥梁，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

　　1.4 桥梁下部结构优化

　　下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布置均匀。

　　桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。

　　柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。

　　对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。

　　但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。

　　对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。

　　对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或至少一梁作为分析对象。

　　稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载，下面以连续梁为例进行说明。

　　介于梁、墩之间的板式橡胶支座，梁体上的水平力H(车辆制动力和温度影响力等)是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的，它不但使墩顶产生水平位移，而且板式橡胶支座也要产生剪切变形。

　　当梁体完成水平力的传递以后，梁体暂时处于一种固定状态，但由于轴力及墩身自重的影响，墩顶还会继续产生附加变形，这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐达到反向的状态。

　　2 结束语

　　随着交通事业的快速发展，近年来，大量的大跨度桥梁相继建成，其结构形式也趋于多样化、复杂化，而且大跨度桥梁的安全运营也关系到整个交通运输事业的发展。

　　但是，随着大跨度桥梁的运营过程中，随着年限的增长、运输量的逐渐增加，都使得桥梁的结构出现各式各样的问题，怎样杜绝或者延缓这些问题的发生，首先要在桥梁最初的设计阶段，对其结构进行优化设计，减少因为设计影响桥梁后期运营的情况发生。

　　参考文献：

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　　[2]禹智涛，韩大建.基于可靠度的桥梁结构优化设计[J].广东工业大学学报.2009，(03).

　　[3]柴志，赵磊，卢彪.基于耐久性的桥梁结构优化设计模型[J].河南科学.2010，(03).

　　[4]陈东霞.桥梁结构优化设计浅析[J].建材与装饰(中旬刊).2008，(04).

　　[5]孙蕾，任晓琳，孟辉.基于ANSYS的桥梁结构拓扑优化设计[J].中国高新技术企业，2009，(20).

　　桥梁结构优化设计研究【2】

　　摘 要：桥梁工程是由许多结构构件组成的系统结构，是城市基础设施中一个重要的组成部分，其结构设计是否科学合理，直接决定了桥梁的安全性、实用性和耐用性。

　　文章通过对桥梁结构设计的介绍，探讨一下桥梁设计的问题及优化方案。

　　关键词：桥梁结构;优化设计;问题

　　1 现阶段桥梁结构设计面临的问题

　　1.1 桥梁设计缺乏先进的理论基础和完善的结构体系

　　目前在我国，一些桥梁设计人员在结构设计时存在对桥梁结构的整体性、安全性和耐久性考虑片面，部分桥梁结构的整体性延性不足，计算图式和受力路线不明确，主要会引起：结构局部受力过大，应力集中;混凝土强度要求过低;保护层厚度过小;构件截面过小或过大等问题。

　　这些问题都会削弱桥梁结构的耐久性，会严重影响桥梁的安全。

　　此外，一些桥梁设计人员缺少动态思维方式。

　　在针对不同的环境、不同的使用条件和不同的设计对象时，不能根据变化因素对结构体系做出合理的应对措施。

　　在新技术、新材料、新工艺快速发展的情况下，对结构设计也提出了新要求，这时候设计人员的创新意识和与时俱进的设计理念就尤为重要了。

　　在结构体系上，目前的桥梁设计普遍的缺乏整体的设计规划，过于偏重设计建成时期结构的工作和服务能力，而对其他时期的性能变化没有更为全面的考虑。

　　桥梁工程是一个由许多结构构件组成的一个系统结构，设计人员要用动态思维去解决面临的发展技术问题，要尽可能的将未来所面临的问题计算在内，保证桥梁设计结构体系的完整性。

　　1.2 桥梁结构的可靠性和耐久性问题

　　桥梁结构可靠性的概念是：在规定的服役基准期内，在正常使用和维护的情况下，结合环境和结构抗力衰退等因素的影响，桥梁结构在服役期过后的后续服役期内能完成预计功能的能力。

　　我国桥梁结构设计可靠性的重视程度大于耐久性，重视强度极端状态而不重视使用极限状态，重视桥梁结构的建造而忽视检测和维修，不少大桥坍塌都是由于构件疲劳损坏所引起，影响了桥梁的承载能力和使用性能。

　　桥梁在建造和使用过程中，受到了外部和自身环境的影响导致结构各部分不同程度的损伤和劣化，有些桥梁仅用10年左右的时间就因为耐久性出了问题而影响结构安全。

　　结构耐久性不应成为桥梁结构最普遍的一个安全问题，设计时要从结构构造、材料等角度采取措施来加强结构耐久性。

　　1.3 桥梁结构的疲劳损伤问题

　　桥梁结构的疲劳损伤，是由于桥梁所采用的材料不均匀和不连续，存在许多微小的缺陷，在荷载反复作用下，这些微小缺陷会逐渐变化形成损伤，并逐渐在材料中形成大面积裂纹，裂纹得不到有效控制，极有可能会引起材料、结构因脆弱而断裂，造成严重后果。

　　对疲劳损伤的研究不仅仅针对整体桥梁结构，实际上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳而导致整体结构的失效。

　　近几年，我国发生过几次大的桥梁事故，都是因为结构疲劳损伤的情况引起的。

　　另外，超载也是导致桥梁结构疲劳损伤的重要原因。

　　2 桥梁设计中应注意的具体问题及解决方法

　　2.1 设计地基高度的调整

　　地基是桥梁施工中最重要的工作之一，地基高度的不合理，给桥梁结构建设带来很多不安全因素。

　　由于地基土层极易风化，如果解决的不合理，就会导致地基不够坚实，地基下沉甚至地基崩溃等后果。

　　首先，用封闭的防水技术，可以增强桥梁地基的稳固性能，标高地基高度，以此来保护桥梁地基强度。

　　其次，设计人员应把握好地基高度，在设计阶段，就应当考虑上部结构，基础和地基共同作用，必要时采取有效措施加强上部结构的强度，可以增加建造物对地基不均匀变形的适应能力。

　　2.2 混凝土裂缝的宽度调整

　　裂缝是混凝土构件不可避免的特征，不仅影响结构的美观，而且会导致构件承载能力和耐久性等性能的下降。

　　我国桥梁规范中根据构件类型和环境类别对裂缝宽度进行了严格规定，强化控制混凝土裂缝的宽度可以使桥梁承载能力得到提升，耐久性更有保障。

　　混凝土裂缝宽度的设计，可通过采用结构局部预防力、调整钢筋布设位置和加强混凝土截面刚度等方法来控制混凝土裂缝的宽度。

　　3 桥梁结构设计的优化措施

　　在这里我们探讨的是基于可靠性的优化设计。

　　这种优化模式是由Forscll最先提出来的，他把使总耗费(初始投资与期望损失值之和)最小化作为优化目标，主要研究了可靠性与优化之间的关系。

　　他指出，用整个桥梁结构失效概率作为功能约束的优化过程应该产生出更加平衡与合理的安全度相一致的设计。

　　他认为，科学的优化设计应该考虑桥梁结构在各种荷载作用下的性能，同时桥梁结构的服役期很长，如果不加维修，它的功能一定会越来越衰退，所以必然要及时采取相应的维修和加固的措施。

　　不难理解，桥梁结构设计可靠度标准越高，建造桥梁结构的原始成本就越少。

　　所以会存在一个最优化设计可靠度，在这个标准下，桥梁结构服役期的总耗费是最小的。

　　3.1 充分重视桥梁结构的耐久性设计

　　现行规范对桥梁设计的要求是适用、经济、安全、美观，对桥梁的强度考虑多于耐久性，对使用周期中桥梁的性能表现相当重视而忽视使用极限状态和对结构的维护。

　　这种倾向很大程度上造成了工程事故频发、桥梁结构质量差，性能不稳定、使用年限短等不良后果。

　　设计人员应该从思想上改变这种倾向，充分重视对桥梁结构耐久性的设计，不但让它在服役期内安全可靠的工作，同时要最大限度的延长它的衰退期，安全使用的年限越长，则其经济性和实用性越优化。

　　3.2 重视对疲劳损伤的研究

　　桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的力量，会引起结构的震动，也会引起结构的积累疲劳损伤。

　　在循环荷载作用下，这些缺陷会逐渐形成宏观裂纹，如果得不到控制，会引起材料和结构的断裂。

　　早期的疲劳损伤不易被检测到，但带来的后果是不堪设想的。

　　设计人员要充分重视对疲劳损伤的研究，尽量把疲劳损伤的因素消除，把造成不良后果的可能性降到最低，避免造成不可弥补的损失。

　　3.3 重视对桥梁超载问题的研究

　　3.3.1 桥梁年限过长，超龄负载使用。

　　3.3.2 桥梁同时通行的车流量超过可承载的最大限值。

　　3.3.3 车辆违规超载。

　　超载一方面会引起桥梁结构的疲劳损伤问题，另一方面，由于超载引起的桥梁内部结构的损伤不能恢复，使其工作状态发生变化，危害桥梁结构的安全性和耐用性。

　　所以，在桥梁设计中应重视对桥梁超载问题的研究，充分考虑社会、经济、环境、地域等因素的影响，把超载问题纳入桥梁结构设计中来。

　　3.4 施工中所能涉及到的优化设计

　　3.4.1 斜腹杆混凝土受拉开裂处理问题设计：应采用局部预应力的方法，也就是桥梁只在斜腹杆内布置冷拉级预应力钢筋，拱片预制成型后张拉锚固，这样就大大降低了斜腹杆拉应力和混凝土裂缝开展宽度。

　　3.4.2 泥岩地基处理问题设计：此基础的设计应采用岩面防水封闭技术，当基坑挖至设计标高后，经平整和清理基底后，快速的浇筑封底防水混凝土以保护地基。

　　这一措施可以防止表层地基土膨化、保持地基土的强度。

　　3.4.3 竣工阶段桥墩抗推问题设计：可在墩顶增设临时的水平拉杆，另一端与桥台锚固，临时支架拆除前进行预张拉。

　　这样，墩基底的应力及抗滑稳定都能够满足规范的要求。

　　4 结束语

　　桥梁对我国现阶段的交通运输发挥着巨大的作用。

　　我们在认识交通运输对桥梁作用的同时，还要积极的探讨它在桥梁设计理论和结构构造体系、耐久性、疲劳损伤、超负荷作业等方面的一系列问题，只有这样我们才能进一步地提高我国桥梁设计的技术水平，增加桥梁的使用寿命，并在节省维修资金的基础上，有效的保证其质量，为国家的经济发展做出贡献，也为人们提高生活质量提供有利保障。

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