1、Word文檔 橋梁設計中構造優化設計初探 橋梁結構設計的基本原則是平安、適用和經濟。傳統的橋梁結構設計主要是采納定值設計的方法，既不能描述和處理橋梁結構中客觀存在的各種不確定性因素，也不能定量地分析計算平安、適用及經濟的各項指標，更無法科學地協調它們之間的沖突，使它們達到合理的平衡。事實上，傳統設計方法追求的是一個滿意設計規范條件下的最低水平設計，因而提出新思路、討論新方法是非常必要的。 1 橋梁優化設計特點分析 結構優化設計在橋梁工程領域日益受到重視，但其應用的范圍和程度還很不抱負。其緣由除了橋梁工程設計取費標準不利于推動優化技術之外，還可歸結為橋梁工程結構優化問題的如下特點： 1.1橋梁工

2、程結構設計中的大量不確定性。如外部環境(荷載和結構所處場地類型等)的不確定性、結構本身的不確定性(結構材料性能、截面幾何參數和計算模式的精度等不確定因素導致的結構構件抗力的不確定性)、結構整體分析中由于模型簡化的誤差而導致的不確定性等。為了充分考慮所涉及到的各種不確定性因素(目前主要考慮隨機性因素)，必需采納結構牢靠度理論。 1.2橋梁工程結構設計準則的多重性。包括承載力量極限狀態設計、正常使用極限狀態設計以及與其它特別功能要求相聯系的極限狀態。 1.3結構優化目標的多樣性。對橋梁工程來說，人們既要求在目標方面考慮結構造價，還要考慮不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和修理

3、費用等在內的經濟指標，還可以以某些特定結構功能為目標。另外，目標函數的性質也很簡單，既有設計變量的顯式函數(結構的重量或造價)，又有設計變量的非線性、高度隱式函數(結構的失效損失期望);而且由結構造價和結構損失期望的加權和所構成的統一目標函數不具有對設計變量的單調性。 2 橋梁設計中混凝土結構耐久性設計內容 2.1橋梁上部結構細部設計 橋面鋪裝。橋面鋪裝是橋梁與車輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復應力和撓變，常常消失早期損壞，進而破壞橋面防水系統，最終導致主梁受橋面水影響而腐蝕主筋，鋪裝混凝土漸漸與主梁剝離，減

4、弱了主梁的受力性能，影響了整個結構的平安性和耐久性。 橋面防水層。橋面鋪裝與主梁之間的防水層是防止橋面水滲入主梁的其次道防線。不少設計中僅單一采納防水混凝土進行防水。 由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開裂后防水性能便大為下降。 主梁。主梁是全橋的主要承力構件，一般在設計當中均要進行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計算角度均能滿意規范要求。可是在實際運營當中，主梁（主要是箱梁）箱體內長期大量積水的現象時有發生，甚至積水灌滿箱體的狀況也有發生，極大地損傷了主梁的預應力鋼筋和一般鋼筋，使得主梁平安性大大下降。究其緣由，很大程度上是對于主梁細節設計的不到位，主梁排水構造設置不夠完善，橋面積水

5、在長時間不能排出橋外時便通過梁頂裂隙進入箱體，進而在箱體內不斷積累，最終形成箱體內積水。 伸縮縫。伸縮縫是橋面的重要組成部分，直接影響著橋梁的伸縮性、舒適性。由于對主梁收縮徐變考慮不足，常常消失的問題是型號選擇不當，導致梁端或在最高溫度時擠壓損壞，或在最低溫度時拉壞梁體。伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時，也應重視防水設計。在許多設計中，采納直線式伸縮縫，這樣做當然設計比較便利，但在橋梁兩端的護欄處成為主要的漏水區域。 因此，建議選用橫向兩端有翹頭的伸縮縫，使得整個伸縮縫形成一個閉合良好的U型槽，可以有效避開橋面積水沿伸縮縫這個排水薄弱環節下泄到分聯梁端及分聯墩蓋梁上。 2.2橋梁下部結構的細部設

6、計 分聯墩蓋梁，分聯墩處由于上部結構設置伸縮縫，橋面水常常通過伸縮縫薄弱環節泄漏到分聯墩蓋梁上，尤其是采納除冰鹽的地區，分聯墩蓋梁長期承受著腐蝕性除冰鹽水的腐蝕。因此，分聯墩蓋梁頂面應當設置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁愛護層厚度方面重點考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避開對墩身和樁基產生不利的影響，設計中可在蓋梁挑檐上設置滴水槽。樁頂 橋梁樁基平安直接打算著橋梁的整體平安，是橋梁設計的重中之重。樁基頂部與承臺或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應力集中的部位。橋梁樁頂一般設計于地面線四周，受地面水、地下水、橋面排下的含除冰鹽的冰水、地面土（尤其像鹽漬土、土中有機質）

7、等因素中的一種或幾種的影響，常常處于干濕交替和腐蝕性環境，對于樁基頂部的鋼筋混凝土耐久性產生較大的不利作用。因此，樁基尤其是樁頂的設計中必需要依據樁頂處的水位狀況、土質狀況合理判定環境等級，選擇相應的耐久性設計標準，最終確定愛護層厚度。 3 結構優化設計討論方向 基于牢靠度的橋梁結構優化設計，重點討論和解決以下問題： 3.1討論符合橋梁結構特點的、有用可行的優化模型。 3.2討論橋梁結構各構件的規律功能關系。在結構體系牢靠度理論中，討論較多較成熟的是串聯系統，因此，如何將橋梁結構劃分為若干具有串聯關系的單元(單元可以是單個構件，也可以是構件的組合，這種組合可能消失并聯關系或混合關系)，也是一個

8、非常有意義的問題，可使問題得到簡化。 3.3討論單元(構件)失效之間、失效模式之間的相關性問題。牢靠度計算是結構優化過程中特別關鍵的環節，為此，合理考慮各單元(構件)失效間的相關性及失效模式間的相關性是特別重要的。 4 基于牢靠度的結構優化水平的劃分及大路橋梁結構優化設計 基于牢靠度的結構優化方法按其設計變量的特性可劃分為四個優化水平，分別是：水平一：截而優化，以截而尺寸作為設計變量;水平二：外形優化，以截而尺寸和描述外形的幾何尺寸作為設計變量;水平二：結構優化，以截而尺寸、描述外形的幾何尺寸和結構特性參數作為設計變量;水平四：總體優化，以截而尺寸、描述外形的幾何尺寸、結構特性參數和材料參數作

9、為設計變量。 大路橋梁結構優化設計 結構優化模型 基于牢靠度的橋梁結構優化模型可以決策出各個構件的最優牢靠度,各個構件的優化設計就是以最小的造價實現它的最優牢靠度,這就將結構整體優化設計方法分成以下三個方面: 選擇設計變量 一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量,如目標掌握參數(結構造價C1和損失期望C2)和約束掌握參數(結構的牢靠度PS);而將那些對設計要求來講,變化范圍不大或是依據結構要求或局部性的設計考慮就能滿意設計要求的參數等作為預定參數,這可以大大削減設計、計算和編制程序的工作量。 確定目標函數 一般用全橋所設計的梁結構造價之和作為目標函數進行優化。首先,假設所設計的梁在使

10、用期內失效概率為PF,其失效以達到或超過極限狀態為標志,一旦結構損壞必需考慮重建。因此,橋梁結構的牢靠度優化設計問題就歸結為尋求一組滿意預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率PF,從而使總費用C最小。 minC=C1+ C2PF 式中,C:目標函數; C1:結構造價; C2:結構的損失期望,失效概率為PF時可能造成的失效結構的恢復費用。結構失效概率為PF。 確定約束條件 大路橋梁結構基于牢靠度優化設計的約束條件,則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從牢靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中,要使結構優化設計應用于實際橋梁工程,則是將大路橋梁設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較,保證各約束條件都符合現行規范的要求,以實現最優設計。 5 結