道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計優(yōu)化分析

陶志波

（撫州贛東公路設(shè)計院有限公司，江西 撫州344000）

0 引言

相較于傳統(tǒng)的道路橋梁設(shè)計理念、設(shè)計方式而言，結(jié)構(gòu)化設(shè)計可表現(xiàn)出“分解+整合”的特性，其更傾向于將設(shè)計對象的各功能、各部分視為獨立模塊，并實施深層次的拆解與完善。在此基礎(chǔ)上，再將精細(xì)設(shè)計后的各結(jié)構(gòu)信息整合起來，并實施進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，繼而形成符合工程目標(biāo)、綜合質(zhì)量可觀的總體設(shè)計成果。將結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用到道路橋梁設(shè)計中，能夠統(tǒng)籌達(dá)成加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、保障安全、延長年限、適應(yīng)環(huán)境等多項目標(biāo)，實現(xiàn)工程效益的綜合提升。

1 道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的基本原則

簡單來講，所謂道路橋梁的“結(jié)構(gòu)化設(shè)計”，即基于特定的劃分規(guī)則，將道路橋梁整體拆解為多個結(jié)構(gòu)部分或結(jié)構(gòu)類型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行專業(yè)化、精細(xì)化設(shè)計。其后，再對各結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行協(xié)調(diào)完善，最終獲得最優(yōu)化的道路橋梁設(shè)計方案。與傳統(tǒng)的設(shè)計模式相比，結(jié)構(gòu)化設(shè)計更具目的性、細(xì)節(jié)性與先進(jìn)性，對道路橋梁工程建設(shè)效益的提升具有重要支持作用。結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗來看，在具體實踐中，道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)堅持如下基本原則。

第一，科學(xué)性原則。道路橋梁的建設(shè)關(guān)乎國計民生，且受到建筑體量大、工程投入多、所處環(huán)境復(fù)雜等多種條件限制，面臨著諸多影響因素與風(fēng)險隱患。在此背景下，道路橋梁的任何一個設(shè)計環(huán)節(jié)、設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)紕漏，都有可能導(dǎo)致難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失與安全事故。所以，在開展結(jié)構(gòu)化設(shè)計的工作實踐時，需要嚴(yán)格做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、專業(yè)細(xì)致。例如，在對道路橋梁主體進(jìn)行設(shè)計時，除了要關(guān)注鋼混結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)建質(zhì)量外，還需要考慮到自然風(fēng)、降雨、地震等外部因素對橋梁耐久性、穩(wěn)定性、安全性的影響，并對風(fēng)荷載、應(yīng)力分布、材料強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)研究、精確運(yùn)算。只有這樣，才能保證道路橋梁在竣工建成后全面達(dá)到工程目標(biāo)水平，為當(dāng)?shù)亟煌ňW(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完善提供助力。

第二，規(guī)范性原則。在實施道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，應(yīng)全面做到按規(guī)設(shè)計，將《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D61—2005）《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）等各項現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范中的內(nèi)容要求作為參考依據(jù)與合格準(zhǔn)繩。在設(shè)計過程中，若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計成果與標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中的規(guī)定內(nèi)容存在出入，應(yīng)嚴(yán)格以規(guī)定為準(zhǔn)，并對設(shè)計方案進(jìn)行問題排查與深化調(diào)整，直至所有方案細(xì)節(jié)均處在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的允許范圍內(nèi)。

第三，先進(jìn)性原則。在功能效益優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計模式的同時，結(jié)構(gòu)化設(shè)計的復(fù)雜程度與工作量也明顯高于傳統(tǒng)時期。在此背景下，若仍采取人工化、平面化的設(shè)計模式，將很難滿足結(jié)構(gòu)化設(shè)計的應(yīng)用需求。因此，需要遵循先進(jìn)性的實踐原則，將結(jié)構(gòu)化設(shè)計與數(shù)字化工具結(jié)合起來。

例如，將BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)化設(shè)計相結(jié)合，可在平臺虛擬環(huán)境中生成各類結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的三維模型。在此基礎(chǔ)上，將道路橋梁的多個結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進(jìn)行整合時，便可依托BIM平臺的碰撞試驗（見圖1）功能實現(xiàn)不同設(shè)計方案間矛盾點的精準(zhǔn)排查，以避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計后各分解部分相互沖突的問題，進(jìn)而為道路橋梁工程后續(xù)建設(shè)施工活動提供正確、完善的依據(jù)和導(dǎo)向。

圖1 碰撞試驗

2 道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的優(yōu)化要點與完善建議

2.1 道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的優(yōu)化要點

在運(yùn)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計理念及方法的背景下，需要明確道路橋梁工程中不同結(jié)構(gòu)的類型特點與搭建需求，并據(jù)此完成科學(xué)、合規(guī)、協(xié)調(diào)的設(shè)計方案。具體來講，設(shè)計中的實踐要點如下：

2.1.1 道路橋梁主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

首先把控好主梁設(shè)計的要點，道路橋梁的簡支梁結(jié)構(gòu)一般可分為裝配式結(jié)構(gòu)與整體式結(jié)構(gòu)兩種類型。其中，整體式結(jié)構(gòu)為主梁配件合為一體，直接進(jìn)行梁吊裝，而裝配式結(jié)構(gòu)與其不同，是指將預(yù)先確定的主梁配件分開運(yùn)送，到達(dá)施工場地后，再逐步裝配為梁。對于該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使支梁運(yùn)用機(jī)械化工程技術(shù)，既可以有效降低操作人員勞動強(qiáng)度，也能夠盡可能減少不必要的材料損耗，促進(jìn)整體工程施工效率的提高，故而目前許多道路橋梁主梁都選擇裝配式結(jié)構(gòu)，為了讓橋梁本身的承重效果更好，選擇主梁造型時多為T形，而混凝土結(jié)構(gòu)的主梁常會選用箱型結(jié)構(gòu)，實施設(shè)計時需保證這類主梁結(jié)構(gòu)之間具有一定距離，再基于荷載計算來確定梁高和細(xì)部尺寸參數(shù)。比如，主梁若設(shè)計為對稱形式，那么其荷載分布也會對稱，計算主梁實際荷載量時，可以采用杠桿法，反之則可利用偏心受壓法加以計算，確定主梁的受力點，以免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)安全隱患。

其次，要合理開展橋臺設(shè)計。道路橋梁的橋臺設(shè)計也是一項重要內(nèi)容，設(shè)計人員需要合理選擇橋臺型式，目前的簡支橋梁中常用到輕型橋臺、薄壁橋臺以及埋置式橋臺，其中輕型橋臺的體積較小，基于設(shè)計的需求，可以將其作為擋土翼墻結(jié)構(gòu)；薄壁橋臺能夠被掩藏在橋梁護(hù)坡內(nèi)部，可以對橋臺處荷載力加以削弱。

再次，應(yīng)科學(xué)選擇橋墩，一方面進(jìn)行分聯(lián)墩蓋梁防水設(shè)計，其頂層設(shè)計需具有一定坡度，對蓋梁上部分需設(shè)計防護(hù)層結(jié)構(gòu)和滴水槽結(jié)構(gòu)，這是為了防止墩蓋梁出現(xiàn)積水情況而被侵蝕；另一方面要把控樁頂設(shè)計，樁基頂部很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，在進(jìn)行設(shè)計時要充分考慮周圍環(huán)境，明確樁頂位置水位，將其作為設(shè)計重要依據(jù)，避免地表水和地下水排放造成不良影響。

最后，合理設(shè)計上部結(jié)構(gòu)，一是鋪設(shè)好橋體表面，讓車輛與橋面進(jìn)行接觸，其會作為首道橋體排水線，妥善鋪設(shè)設(shè)計可降低橋體表面的受損害程度，避免影響到橋體本身的防水性能；二是二道防水層設(shè)計，在結(jié)構(gòu)主梁與橋體表面之間增加一層防水層，作為第二道主梁隔水防線，采用具有隔水功能的材料作防水層，但要避免層面性能過剛，否則會出現(xiàn)開裂情況；三是設(shè)計伸縮性縫隙，橋體表面若是具有伸縮縫，可以進(jìn)一步提高橋體伸縮性能，也能夠讓橋體運(yùn)行的舒適性更強(qiáng)，但要注意防止主梁型號不合適而出現(xiàn)端口損傷問題，伸縮縫設(shè)計也需考慮到防水性，避免選擇直線式伸縮縫，其很容易出現(xiàn)漏水情況，可設(shè)計為翹頭式，具有一定閉合功能，以免分聯(lián)墩蓋上的積水侵入伸縮縫當(dāng)中。

2.1.2 道路橋梁抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在進(jìn)行道路橋梁的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要先對橋梁的抗震等級、設(shè)防烈度做出明確。其中，抗震等級的認(rèn)定條件如表1所示。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)重力加速度的差異，可按相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范將橋梁的抗震設(shè)防烈度分為6至9度。其后，結(jié)合不同烈度，對道路橋梁抗震結(jié)構(gòu)實施針對性設(shè)計。若烈度為6，則需要對簡支梁與橋墩、蓋梁等部位之間的距離加以控制，具體公式為A≥70 + 0.5L。其中，A為間隔距離的設(shè)計值，L則為簡支梁的跨徑數(shù)值。若烈度為7，除了要滿足6度區(qū)的抗震標(biāo)準(zhǔn)以外，還需要在設(shè)計方案中通過螺栓、夾板等連接手段對簡支梁實施固定保護(hù)，以避免橋梁在地震影響下出現(xiàn)落梁事故。若烈度為8，不僅要達(dá)到各次級烈度的設(shè)計要求，還應(yīng)注意多項要點。例如，設(shè)計橋梁支座時，應(yīng)嚴(yán)禁使用擺柱形式。在此基礎(chǔ)上，若將支座設(shè)計為輥軸形式，則需要對其實施限位保護(hù)。再如，為了達(dá)到更高的結(jié)構(gòu)抗震效果，在設(shè)計橋墩、橋臺等部位時，所使用水泥砂漿材料的強(qiáng)度應(yīng)較現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提升一級。當(dāng)?shù)缆窐蛄旱目拐鹪O(shè)防烈度達(dá)到9度時，其結(jié)構(gòu)抗震性能應(yīng)盡可能達(dá)到最高水平。例如，在設(shè)計選用橋墩、橋臺等橋梁下部結(jié)構(gòu)的材質(zhì)時，應(yīng)嚴(yán)格保證混凝土強(qiáng)度在C25以上，并加配足量的鋼筋材料，以保證橋梁的穩(wěn)定性，避免局部開裂、主體沉降等負(fù)面情況發(fā)生。

表1 橋梁抗震等級的認(rèn)定

2.1.3 道路橋梁防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計

將結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用于道路橋梁的防水設(shè)計，能夠大幅提升橋梁整體對于水分侵蝕的抵御能力，進(jìn)而保障橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性。具體實踐中，一方面要把控好防水材料性能的設(shè)計質(zhì)量。若所選材料為自黏型卷材，則材料厚度應(yīng)控制在2.5mm以內(nèi)，以免因卷材過厚而對黏結(jié)密封效果產(chǎn)生影響。反之，若所選防水材料為熱熔型卷材，則應(yīng)適當(dāng)增加卷材厚度，以避免現(xiàn)場熱熔作業(yè)時對橋梁主體材料質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。另一方面，還需從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度入手，增強(qiáng)道路橋梁的防排水性能。例如，可在伸縮槽側(cè)邊設(shè)置滲水管道，并在橋面排水口側(cè)緣設(shè)置滲水孔。這樣一來，當(dāng)自然雨水徑流至伸縮槽、排水口等部位時，滲水管、滲水孔便可發(fā)揮作用，將殘余積水排出橋面，以避免橋體內(nèi)部遭受水分侵蝕。

2.1.4 道路橋梁抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在道路橋梁工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是針對橋梁設(shè)施的建設(shè)而言的。設(shè)計時，首先需要全面采集與橋梁風(fēng)振抗性相關(guān)的各項參數(shù)，具體包括當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)力、風(fēng)速以及橋梁本身所能承受的最大抖振幅度、顫振臨界風(fēng)速等。其中，風(fēng)向、風(fēng)力等參數(shù)可通過調(diào)查歷史資料或現(xiàn)場儀器測量進(jìn)行直接獲取，其余參數(shù)則需要根據(jù)實際工程情況進(jìn)行運(yùn)算分析。在此基礎(chǔ)上，橋梁所處環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)力若在抖振幅度、顫振風(fēng)速的允許范圍內(nèi)，則橋梁結(jié)構(gòu)相對安全穩(wěn)定。反之，則表明橋梁會受到自然風(fēng)的較大負(fù)面影響，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞、局部失穩(wěn)等問題。其次，需要對靜力條件下的橋梁抗風(fēng)系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，即分析自然風(fēng)場在受到橋梁建筑落成影響后，風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力。具體來講，可將風(fēng)荷載細(xì)分為阻力、升力、升力矩三個部分，具體的運(yùn)算公式如下：

式（1）～式（3）中：F為阻力；F為升力；M為升力矩；U為橋梁所處環(huán)境的風(fēng)速均值；C、C、C分別為阻力、升力、升力矩的系數(shù)；D、B分別為橋梁建筑的實際高度與寬度；ρ則是橋梁所處環(huán)境的空氣密度。在實測并運(yùn)算得出風(fēng)荷載的各作用力數(shù)值后，即可結(jié)合《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）這一現(xiàn)行規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容，對橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能做進(jìn)一步確定。

2.1.5 道路橋梁防崩結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了保障道路橋梁鋼結(jié)構(gòu)主體的穩(wěn)定性，還需要在結(jié)構(gòu)化設(shè)計中做好防崩設(shè)計工作。首先，需要對橋梁管道與管底水泥間的連接質(zhì)量進(jìn)行把控，確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、完整密實。其次，路橋梁板底部是發(fā)生鋼筋崩裂故障的常見區(qū)域，需要在設(shè)計中對此提起重視。實踐時，應(yīng)在梁底鋼筋外部加設(shè)閉合箍筋，從而對原有的鋼筋結(jié)構(gòu)形成固定作用，并實現(xiàn)鋼筋受力分布情況的有效改善。最后，在設(shè)計路橋合龍段時，應(yīng)確保兩側(cè)路橋施工段的高差小于3cm，以便更好地提高路橋結(jié)構(gòu)的防崩性能。

2.2 道路橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)化設(shè)計的完善建議

從目前來看，道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計在遵循“先分解，后整合”這一邏輯的前提下，衍生出了多種設(shè)計手段，主要包括簡化荷載設(shè)計、模型化設(shè)計、離散化設(shè)計、求極值設(shè)計等。這些設(shè)計手段均有其獨特優(yōu)勢，如簡化荷載設(shè)計側(cè)重于據(jù)實反映路橋結(jié)構(gòu)的受力分布狀態(tài)，模型化設(shè)計側(cè)重于路橋結(jié)構(gòu)的邏輯性拆分等。在道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計實踐中，可根據(jù)不同的工作條件、設(shè)計需求，對各類衍生設(shè)計手段進(jìn)行科學(xué)選用或綜合利用，勢必能達(dá)到更加高效率、高質(zhì)量的設(shè)計效果。

3 結(jié)語

綜上所述，將結(jié)構(gòu)化設(shè)計應(yīng)用到道路橋梁的工程設(shè)計中，極具優(yōu)勢性與必要性。在開展設(shè)計工作時，需要將道路橋梁整體細(xì)化分解為主體結(jié)構(gòu)、抗震結(jié)構(gòu)、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)、防水結(jié)構(gòu)等多個部分，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范與結(jié)構(gòu)特性，實施專項化、精細(xì)化的設(shè)計，從而確保道路橋梁綜合設(shè)計質(zhì)量處于較高水平。此外，還需做好多種設(shè)計手段的綜合運(yùn)用，以便進(jìn)一步提升道路橋梁設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計價值的充分發(fā)揮。