对桥梁结构优化设计理念的研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇对桥梁结构优化设计理念的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：随着我国桥梁建设的快速发展，当前桥梁的结构设计已经相对成熟，与此同时也有不良的快餐化设计倾向在坊间流传，想要设计出更好的桥梁，作者认为应打破常规的设计理念，要让在计算机和网络时代成长起来的工程师们利用强大的计算机辅助设计，将优化设计的理论与方法充分引入到桥梁结构的设计中来，设计出真正“安全、实用、经济和美观”的桥梁。本文主要结合作者的桥梁设计经验，总结我国桥梁结构优化设计的发展情况，并探讨了桥梁结构的优化设计。

关键词：桥梁；结构；优化设计

一、我国现阶段桥梁结构优化设计理念

随着力学理论和试验科学的不断发展，我国桥梁结构在设计理论与设计思想上都有了较大的进步，结构设计原理和可靠度理论相结合而成为工程结构规范编制的基础。现如今我国的桥梁结构设计理论已逐渐由以往的容许应力发展到极限状态设计，使桥梁结构的安全性建立在更为理性的基础上。一般情况下，我国桥梁结构优化设计都只进行局部优化，这主要是由于大多数桥梁的结构都较为复杂，主要为超静定与高次超静定结构，且材料参数与几何尺寸等设计变量较多，给桥梁结构进行整体优化带来一定困难所导致的。但是，在对桥梁进行评价时却还是以桥梁整体效果为主。因此，局部优化对于桥梁整体改善效果比较难评定，而由进行过独立优化的构件构成的桥梁结构体系却不一定是最好的。

随着桥梁结构优化设计理论特别是可靠度理论的不断发展，目前我国已有数百种优化算法。优化算法是指以可靠度为约束条件，以整体结构功能或整体动力性能与整体经济指标最优为目标的优化方法。所有优化算法可大致分为最优准则法、数学规划法和仿学生法三种。最优准则法是指根据工程经验、数学规划、力学概念的最优性条件，先建立一种准则，再通过相应的迭代方法来获得问题的最优解或近似优解。仿学生法具有适应性广、解题能力较强等特点，主要有模拟退火法、遗传算法和神经网络等，近几年发展较快。数学规划法的理论基础较严格，由于某些特性而较难适用于大型结构优化问题。

二、桥梁结构优化设计理念

2.1 结构可靠度最优分配模型分析

在无约束条件下，结构可靠度的最优分配的求解规划如下所示：

求：[Ksn] n=1，2，3，….，a，

minW=C+L

其中Ksn是指第n个构件的可靠度，a为构件数量，W是指目标函数，C是指结构造价，L是指结构的期望损失。目前，可使用并求得其近似表达式的方法有理论半经验法和经验统计法。而C和L在不同的结构和如构件失效的相关性、构件之间的串并逻辑关系等不同情况的时候它们的表达形式是不相同的。因而，关于C和L的表达式的寻求目前还在进一步的研究中。采用这个最优模型中的目标函数W=C+L，可以将多个目标优化问题转化为一个目标优化问题，得到极大的简化。通过上面的规划的求解，我们可以找到各个构件的最优可靠度。

桥梁结构中的构件优化

由于结构的近期投资和长远效益已经在结构可靠度最优分配模型分析中决策K*sn（ n=1，2，3，….，a）时被考虑，因此，在构件变量的细部优化中我们只需考虑使构件具有规定可靠度的最小造价C*n（n=1，2，3，….，a）。结构整体利益指导下的构件变量设计的数学模型如下所示：

求： X

minC(X)，

s*t*Ps(X)=P*s。（注：为了一般化，上式中的符号均未加下标）

其中，该式中的X是指设计变量。找出结构构件和可靠度直接的比较精细合理的函数关系是另一种解决问题的途径，同时求解出的C（Ps）也是构件最合理的造价。

①结构优化模型 基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度,各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度,这就将结构整体优化设计方法分成以下三个方面: ②选择设计变量 一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量,如目标控制参数(结构造价C1和损失期望C2)和约束控制参数(结构的可靠度PS);而将那些对设计要求来讲,变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数,这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量。 ③确定目标函数 一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先,假设所设计的梁在使用期内失效概率为PF,其失效以达到或超过极限状态为标志,一旦结构损坏必须考虑重建。因此,桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率PF,从而使总费用C最小。 minC=C1+ C2PF 式中,C:目标函数; C1:结构造价; C2:结构的损失期望,失效概率为PF时可能造成的失效结构的恢复费用。结构失效概率为PF。 ④确定约束条件 公路桥梁结构基于可靠度优化设计的约束条件,则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中,要使结构优化设计应用于实际桥梁工程,则是将公路桥梁设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较,保证各约束条件都符合现行规范的要求,以实现最优设计。 ⑤选择优化设计计算方法 桥梁结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题,在计算过程中,通常是将有约束优化问题转化为无约束问题求解。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。 ⑥进行程序设计 根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法,编制功能齐全、运算速度快的综合程序。 ⑦结果分析 对计算结果进行分析,确定最优设计方案。

桥梁结构整体可靠度的验算

虽然可能的最优目标函数值与桥梁各构件可靠概率可根据可靠度的约束优化模型求解得出，但这样的求解结果忽略了很多如桥梁结构之间的关联性质及荷载信息等细节，只是在简化或一定假设中求得，且由桥梁整体可靠概率求出的桥梁各构件可靠概率有时可能会存在得出的数据不都精确或不是最优或不能满足相关要求等情况。因此，我们需要对桥梁整体可靠度进行更精确度地验算。而在验算过程中应注意必须重新计算桥梁构件的可靠度。

当今的桥梁设计计算，已组要的交由专业设计软件去完成。但电脑只是人脑强大的辅助设计工具，是人脑定量分析能力的延伸，但电脑代替不了人脑的智慧思考。设计者要对实际结构模型简化的正确与否负责，对施工过程中的最不利工况要有预见性。此外，结构有限元离散化的疏细成都和边界假定，特殊荷载工况和荷载组合，收缩徐变模式和温度梯度模式的选取等，均影响到分析计算的结果。

在对设计软件不熟悉的情况下，错误的输入则会导致错误的计算结果。鉴于结构设计软件是一个暗盒，对其输出的结果还要通过定性的分析与手算进行判定和校核，而且设计者可以做到。运用概念来把握各种计算结果的数量级和范围，或通过参数变化判定计算结果的变化趋势，能够避免设计错误。

结束语：

设计人员在设计时应利用桥梁结构的目标可靠度或失效概率,来描述更为科学和定量的安全可靠程度,实现安全、适用、耐久的设计要求;另外其还考虑到不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标,考虑如何以最低的造价实现最佳的经济效益,实现经济、合理和美观的设计要求。

参考文献：

[1]李志文，桥梁结构优化设计基础[M]，北京：人民交通出版社，1982

[2]王福来，叶少有，基于可靠度理论的桥梁结构优化设计[J]，山西建筑，2008；3（02）：1185-1187.

[3]王光远，董明耀，结构优化设计[M]，北京：高等教育出版社，1987

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。