陶志波

（撫州贛東公路設(shè)計(jì)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(jì)理念、設(shè)計(jì)方式而言，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)可表現(xiàn)出“分解+整合”的特性，其更傾向于將設(shè)計(jì)對象的各功能、各部分視為獨(dú)立模塊，并實(shí)施深層次的拆解與完善。在此基礎(chǔ)上，再將精細(xì)設(shè)計(jì)后的各結(jié)構(gòu)信息整合起來，并實(shí)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(jì)成果。將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到道路橋梁設(shè)計(jì)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(xiàng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工程效益的綜合提升。

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

簡單來講，所謂道路橋梁的“結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)”，即基于特定的劃分規(guī)則，將道路橋梁整體拆解為多個(gè)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(jì)。其后，再對各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)方案。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式相比，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(yàn)來看，在具體實(shí)踐中，道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)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(jì)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(xiǎn)隱患。在此背景下，道路橋梁的任何一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)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(jì)的工作實(shí)踐時(shí)，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(jì)時(shí)，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(shí)施道路橋梁的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面做到按規(guī)設(shè)計(jì)，將《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61—2005）《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）等各項(xiàng)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(jì)過程中，若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)模式的同時(shí)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度與工作量也明顯高于傳統(tǒng)時(shí)期。在此背景下，若仍采取人工化、平面化的設(shè)計(jì)模式，將很難滿足結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求。因此，需要遵循先進(jìn)性的實(shí)踐原則，將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(jì)相結(jié)合，可在平臺(tái)虛擬環(huán)境中生成各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的三維模型。在此基礎(chǔ)上，將道路橋梁的多個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合時(shí)，便可依托BIM平臺(tái)的碰撞試驗(yàn)（見圖1）功能實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案間矛盾點(diǎn)的精準(zhǔn)排查，以避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(dòng)提供正確、完善的依據(jù)和導(dǎo)向。

圖1 碰撞試驗(yàn)

2 道路橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化要點(diǎn)與完善建議

2.1 道路橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化要點(diǎn)

在運(yùn)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)方案。具體來講，設(shè)計(jì)中的實(shí)踐要點(diǎn)如下：

2.1.1 道路橋梁主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

首先把控好主梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，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(jì)，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(dòng)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(shí)多為T形，而混凝土結(jié)構(gòu)的主梁常會(huì)選用箱型結(jié)構(gòu)，實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算來確定梁高和細(xì)部尺寸參數(shù)。比如，主梁若設(shè)計(jì)為對稱形式，那么其荷載分布也會(huì)對稱，計(jì)算主梁實(shí)際荷載量時(shí)，可以采用杠桿法，反之則可利用偏心受壓法加以計(jì)算，確定主梁的受力點(diǎn)，以免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)安全隱患。

其次，要合理開展橋臺(tái)設(shè)計(jì)。道路橋梁的橋臺(tái)設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員需要合理選擇橋臺(tái)型式，目前的簡支橋梁中常用到輕型橋臺(tái)、薄壁橋臺(tái)以及埋置式橋臺(tái)，其中輕型橋臺(tái)的體積較小，基于設(shè)計(jì)的需求，可以將其作為擋土翼墻結(jié)構(gòu)；薄壁橋臺(tái)能夠被掩藏在橋梁護(hù)坡內(nèi)部，可以對橋臺(tái)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(jì)，其頂層設(shè)計(jì)需具有一定坡度，對蓋梁上部分需設(shè)計(jì)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(jì)，樁基頂部很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)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(huì)作為首道橋體排水線，妥善鋪設(shè)設(shè)計(jì)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(jì)，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(huì)出現(xiàn)開裂情況；三是設(shè)計(jì)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(hào)不合適而出現(xiàn)端口損傷問題，伸縮縫設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)

在進(jìn)行道路橋梁的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要先對橋梁的抗震等級(jí)、設(shè)防烈度做出明確。其中，抗震等級(jí)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(shí)施針對性設(shè)計(jì)。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(jì)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(jì)方案中通過螺栓、夾板等連接手段對簡支梁實(shí)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(jí)烈度的設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)注意多項(xiàng)要點(diǎn)。例如，設(shè)計(jì)橋梁支座時(shí)，應(yīng)嚴(yán)禁使用擺柱形式。在此基礎(chǔ)上，若將支座設(shè)計(jì)為輥軸形式，則需要對其實(shí)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(jì)橋墩、橋臺(tái)等部位時(shí)，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(jí)。當(dāng)?shù)缆窐蛄旱目拐鹪O(shè)防烈度達(dá)到9度時(shí)，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(jì)選用橋墩、橋臺(tái)等橋梁下部結(jié)構(gòu)的材質(zhì)時(shí)，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(jí)的認(rèn)定

2.1.3 道路橋梁防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于道路橋梁的防水設(shè)計(jì)，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(shí)踐中，一方面要把控好防水材料性能的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(jì)

在道路橋梁工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是針對橋梁設(shè)施的建設(shè)而言的。設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要全面采集與橋梁風(fēng)振抗性相關(guān)的各項(xiàng)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(shí)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(huì)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(gè)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(shí)際高度與寬度；ρ則是橋梁所處環(huán)境的空氣密度。在實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)

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(jì)中做好防崩設(shè)計(jì)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(shí)。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(jì)中對此提起重視。實(shí)踐時(shí)，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(shí)現(xiàn)鋼筋受力分布情況的有效改善。最后，在設(shè)計(jì)路橋合龍段時(shí)，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(jì)中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的完善建議

從目前來看，道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(jì)手段，主要包括簡化荷載設(shè)計(jì)、模型化設(shè)計(jì)、離散化設(shè)計(jì)、求極值設(shè)計(jì)等。這些設(shè)計(jì)手段均有其獨(dú)特優(yōu)勢，如簡化荷載設(shè)計(jì)側(cè)重于據(jù)實(shí)反映路橋結(jié)構(gòu)的受力分布狀態(tài)，模型化設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)踐中，可根據(jù)不同的工作條件、設(shè)計(jì)需求，對各類衍生設(shè)計(jì)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(jì)效果。

3 結(jié)語

綜上所述，將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到道路橋梁的工程設(shè)計(jì)中，極具優(yōu)勢性與必要性。在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，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(gè)部分，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范與結(jié)構(gòu)特性，實(shí)施專項(xiàng)化、精細(xì)化的設(shè)計(jì)，從而確保道路橋梁綜合設(shè)計(jì)質(zhì)量處于較高水平。此外，還需做好多種設(shè)計(jì)手段的綜合運(yùn)用，以便進(jìn)一步提升道路橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)價(jià)值的充分發(fā)揮。