桥梁结构优化设计理念探讨
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摘要：桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法，既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，更无法科学地协调它们之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。事实上，传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下的最低水平设计，因而提出新思路、研究新方法是十分必要的。本文主要介绍了桥梁设计的基本目标以及桥梁结构优化设计的要求，阐述了桥梁中的混凝土结构耐久性的优化设计以及我国桥梁结构设计的发展方向。
关键词：桥梁；结构优化；设计理念；发展趋势
引言
桥梁是公路工程的一部分，桥梁的优化虽然不等同于公路的最优，但是却有益于公路最优，并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。大跨度作为公路工程的一部分，很多方面需要探讨。大跨度方案的确定应遵循“安全、舒适、经济、美观”的原则，只有把握好规律，抓住侧重点，高速桥梁的布置和设计才能准确无误。
1 桥梁建设的基本目标
概括地讲，桥梁建设的基本目标是安全、适用、经济、美观。围绕这一基本目标，桥梁技术的发展应表现在：桥梁具有较大的跨越能力和承载能力；车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感；讲求经济效益，力图降低造价（按经济规律办事，在跨度上不盲目追求攀比）；考虑结构与环境的协调。
2 桥梁结构优化设计的要求
2.1安全性
桥梁的结构在正常施工以及使用的时候，需要承受可能出现的各种压力，这主要包括振动过程中的恢复力、荷载引起的内力以及由约束变形、外加变形所引起的内力。结构在设计规定的偶然事件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。 2.2适用性
结构在正常使用时具有良好的工作性能，不发生过大的变形或宽度过大的裂缝，不产生影响正常使用的振动。
2.3耐久性
桥梁的结构在正常的定期维护中，需要具备一定的耐久性，包括不发生混凝土的严重风化以及钢筋锈蚀等现象。所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不会导致结构出现不可接受的失效概率。
从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。
结构的功能要求――安全性、适用性、耐久性。这些功能要求概括起来称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内（设计基准期），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用维护）完成预定功能（安全性、适用性和耐久性）的能力。
显然，增大结构设计的余量，如加大结构构件的截面尺寸或钢筋数量，或提高对材料性能的要求，总是能够增加或改善结构的安全性、适应性和耐久性要求，但这将使结构造价提高，不符合经济的要求。
因此，结构设计要根据实际情况，解决好结构可靠性与经济性之间的矛盾。既要保证结构具有适当的可靠性，又要尽可能降低造价，做到经济合理。
桥梁结构设计基准期：所谓设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283-1999）规定：桥梁结构取100年的设计基准期。设计基准期表示在这个时间域内结构的失效概率是有效的。结构的设计基准期虽与结构使用寿命有联系，但不等同。当结构使用年限超过设计基准期后，表明结构的失效概率将会比设计时的预期值大，但并不等于结构丧失功能或报废。
3 混凝土结构耐久性的优化设计
3.1混凝土结构耐久性概念
结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的抵抗能力。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。
混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策。 3.2影响混凝土结构耐久性的因素
耐久性不好往往是外部的不利因素和内部的不完善性综合作用的结果，而结构的缺陷往往是施工不良、设计不妥引起的，也有因使用维修不当引起的。
外部因素主要有CO2含量、湿度、侵蚀性戒指、环境温度等；内部因素主要有混凝土的强度、保护层厚度、渗透性、水泥品种和标号以及用量，集料的活性、外加料等。
混凝土结构耐久性问题主要有：侵蚀性介质腐蚀、碱一集料反应、机械磨损、混凝土冻融破坏、钢筋锈蚀、混凝土碳化等。
3.3提高耐久性的措施
目前对混凝土结构耐久性的研究尚不够深入，关于耐久性的设计方法也不完善，因此，耐久性设计主要采取以下保证措施：
3.3.1划分混凝土结构的环境类别
混凝土结构耐久性与结构的工作环境条件有密切的关系。《桥规》（JTGD62-2004）将混凝土结构的使用环境分为四类。
3.3.2规定混凝土保护层厚度
《桥规》根据混凝土结构所处的环境条件类别，规定了混凝土保护层的最小厚度。
3.3.3规定裂缝控制等级及其限值
裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是钢筋开始锈蚀的主要条件。因此，《桥规》根据钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所处的环境条件类别和构件受力特征，规定了裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。
3.3.4规定混凝土的基本要求
根据结构的环境类别，合理地选择混凝土原材料，控制混凝土的氯离子含量和碱含量，防止碱集料反应。改善混凝土的级配，控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土强度等级，提高混凝土的抗渗性能和密实度。《桥规》规定：公路桥涵应根据其所处环境条件进行耐久性设计。
4 我国桥梁的发展方向
从上世纪90年代初开始，我国的桥梁建设者就积极开展从内陆建桥向跨海建桥的研究和谋划。刘自明说，大跨、轻型、快速施工是21世纪的跨海桥梁发展的方向。2005年建成的东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥，全长32.5km，当时是全球30多座跨海大桥中最长的一座；而刚刚贯通的杭州湾跨海大桥，全长约36km，又改写了这项世界之最。正在建设中的跨海工程还包括上海崇明越江通道工程、青岛跨海大桥、厦门跨海大桥等。
改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展，一般公路和高等级公路上的中、小桥、立交桥，形式多样，实用效果不断提高，跨越大江（河）、海峡（湾）的超大桥梁建设也相继修建，为公路运输提供了安全、舒适的服务。
随着经济的发展、综合国力增强，我国的建筑材料、设备、建筑技术都有了较快发展，为桥梁建设不断提供新突破，特别是电子计算技术的广泛应用，为广大工程技术人员提供了快捷、高精度的计算分析手段，我国广大桥梁工作者，充分认识到这一难得的机遇，发挥自己的聪明才智，不断推进我国公路桥梁建设事业的发展。
由于计算机工业的高速发展，CAD技术在铁路桥梁工程中的应用也越来越广泛。桥梁CAD技术的主要内容有以下几部分：结构分析、图形绘制、结构优化、工程数据库、专家系统等。目前使用较多的是前三部分。在我国，除采用国外商业化通用程序进行结构分析外，还逐步开发了一些桥梁结构分析及CAD专项软件，较大地提高了设计质量和效率。
对于未来桥梁的发展方向，我国要致力于发展大跨度和特大跨度的桥梁，开发中小跨度预应力混凝土桥的新的截面型式，完善的桥梁的标准设计，提高桥梁建造的机械化、自动化水平，加强科学管理，以极限状态法和可靠性理论为基础指导桥梁设计，应用新的和高强度材料，准高速和高速铁路桥梁的设计、施工及加固，建立桥梁管理系统，提高既有桥梁的养护、评估和加固水平。
5 结束语
随着我国交通事业的发展，对桥梁结构设计的要求也越来越高。当前桥梁结构工程设计的发展趋势是从确定性的设计方法向概率设计方法的方向发展，结构抗力和计入作用实际上存在的随机性和将主要依靠至关经验确定的安全系数，变为系统地应用统计数学定量给出一定基准期内机构的失效概率和统一可比的可靠指标，这是当前工程设计概念、思想和方法上的突破。由此可以看出，桥梁结构的优化方法的研究和工程应用的前景是十分广阔的，所以必须在这样的环境下，对桥梁结构的优化设计进行方法上的改革与创新。