這篇橋梁工程師職稱(chēng)論文發(fā)表了公路橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，由于建筑結(jié)構(gòu)存在損傷會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，論文從結(jié)構(gòu)可靠度的概念出發(fā)，闡述了在該背景之中的道橋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定以及關(guān)于道橋項(xiàng)目構(gòu)造目的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：橋梁工程師職稱(chēng)論文,橋梁結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)可靠度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要確保其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師依照確定的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是這種方案僅能滿足最基礎(chǔ)的需求，難以對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行預(yù)判，也難以及時(shí)解決別的潛在故障。

　　1結(jié)構(gòu)可靠度的概念

　　從公路和橋梁設(shè)計(jì)的整體思路出發(fā)，可靠度是在確定的期限內(nèi)，在規(guī)范的要求內(nèi)，實(shí)行特定功效的概率。對(duì)于確定的時(shí)期，是指在進(jìn)行解耦股的分析時(shí)，要根據(jù)分析構(gòu)造的壽命、不同的變量指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系開(kāi)展，確定為最有效的時(shí)間。而規(guī)范的要求背景就是在通常的建設(shè)環(huán)境和自然條件下，不受人為過(guò)多地干擾。

　　2在該背景之中的道橋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定

　　在結(jié)構(gòu)可靠理論的指導(dǎo)框架下，結(jié)構(gòu)的綜合符合效應(yīng)S必須小于或者等于結(jié)構(gòu)所具有的抗力R，也就是RS。在使用結(jié)構(gòu)可靠性理論進(jìn)行公路和橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在確定的自然環(huán)境下，將工程結(jié)構(gòu)的截面安全指數(shù)β作為可靠的設(shè)計(jì)因素，將其在失效狀態(tài)的概率作為失效的概率。但是在實(shí)際的環(huán)境匯總，抗力等因素往往是不確定的，并且時(shí)常變化，因此，上述數(shù)學(xué)函數(shù)也不是完全準(zhǔn)確的，即設(shè)定的概率符合規(guī)范，也就是P{RS}=Pr(1)式中：Pr是結(jié)構(gòu)的概率可信程度，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該在明確的失效概率Pj和可信程度Pr下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得抗力要大于或者等于結(jié)構(gòu)的受力。

　　3道橋項(xiàng)目構(gòu)造目的可靠性

　　目標(biāo)可靠指標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參考指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)師在對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中預(yù)期的安全信息。針對(duì)于度量結(jié)構(gòu)可靠性來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)的指標(biāo)就是可靠指數(shù)。這一指數(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它能夠結(jié)合失效概率與目標(biāo)可靠指標(biāo)，確定其中的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　4基于可靠度的公路橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　對(duì)于公路和橋梁的設(shè)計(jì)，不僅要確保橋梁和公路的耐用、結(jié)實(shí)和可靠，還要符合一定的審美原則，經(jīng)濟(jì)成本合理。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，好的設(shè)計(jì)應(yīng)該涵蓋這兩方面的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和安全性能的并重。

　　4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式

　　從結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計(jì)理論出發(fā)，對(duì)于公路和橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)每個(gè)組成部分的最佳穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化建設(shè)能夠在較低廉的成本下，獲得穩(wěn)定性最高的設(shè)計(jì)方案。這也就是說(shuō)，可以將對(duì)公路和橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)看成是具有兩個(gè)層次的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于第一個(gè)層次來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師要考慮的是對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度進(jìn)行最佳的配置方案。在自然的條件下，如果沒(méi)有其他相關(guān)因素的制約，對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度進(jìn)行最佳的配置就是對(duì)以下的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行求值：

　　(2)式中：PM是第i個(gè)組成部件的穩(wěn)定系數(shù);C是工程的建造價(jià)格;K為相應(yīng)的部件數(shù)量;W是需要求值的函數(shù)。在這個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)中，對(duì)于L和C的求解，當(dāng)前只能利用半理論和半經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方式或者完全的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法，以期獲得與之相近的表達(dá)公式。而對(duì)于公路和橋梁的不同組成結(jié)構(gòu)和情況，L和C的也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。因此，對(duì)于L和C的函數(shù)公式的合理設(shè)計(jì)是需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　(3)式中：X是主要的設(shè)計(jì)變量。針對(duì)這一優(yōu)化項(xiàng)目的另一種解決途徑就是恰當(dāng)?shù)膶ふ以O(shè)計(jì)可靠性能和結(jié)構(gòu)建造成本之間的準(zhǔn)確函數(shù)，其中，C(PS*)就是公路和橋梁設(shè)計(jì)中最為科學(xué)的經(jīng)濟(jì)成本。

　　4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方向

　　考慮到基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的公路橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)該著重解決以下問(wèn)題：針對(duì)公路和橋梁的結(jié)構(gòu)和特征，選擇具有實(shí)用性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)的各部組成部分之間的功能聯(lián)系有一個(gè)整體的把握。需要考慮到優(yōu)化結(jié)構(gòu)各組成部分之間的失效模式以及其中的聯(lián)系。需要設(shè)計(jì)師在考慮公路和橋梁結(jié)構(gòu)的失效方式時(shí)，要針對(duì)主要的問(wèn)題進(jìn)行解決，還要做到合理簡(jiǎn)便問(wèn)題的處理方式。對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)成本之間的函數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)師需要確定適合公路和橋梁的穩(wěn)定系數(shù)分析和計(jì)算公式。

　　4.3基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的劃分

　　對(duì)于基于結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化方式可以依據(jù)優(yōu)化變量的特征，設(shè)計(jì)四個(gè)優(yōu)化水平。對(duì)公路和橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將截面的規(guī)模作為設(shè)計(jì)的指標(biāo)。依據(jù)截面的規(guī)模和所要設(shè)計(jì)的幾何圖形作為設(shè)計(jì)的指標(biāo)，對(duì)公路和橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)截面的規(guī)模和形狀的幾何圖形作為參考結(jié)合公路和橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值作為進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的考量。對(duì)公路和橋梁進(jìn)行整體的優(yōu)化，將其結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)、幾何圖形以及截面的規(guī)模充分考量。

　　4.4未來(lái)發(fā)展

　　傳統(tǒng)的公路和橋梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，使用的是確定性的設(shè)計(jì)方式，而未來(lái)的設(shè)計(jì)方向是向著概率設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)變，具有更高的準(zhǔn)確性和精度。在考慮公路和橋梁的結(jié)構(gòu)負(fù)荷程度和作用時(shí)，數(shù)值的測(cè)量具有不確定性，主要是依據(jù)主觀的經(jīng)驗(yàn)判斷安全指數(shù)，將其作為數(shù)學(xué)定量分析的組成部分，以確定某一確定時(shí)期內(nèi)，公路和橋梁結(jié)構(gòu)的失效指數(shù)和穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，這是對(duì)傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目觀念上和方式上的重要?jiǎng)?chuàng)新。

　　4.5實(shí)例

　　文章以簡(jiǎn)支梁作為案例，對(duì)基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的公路和橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述，構(gòu)建公路和橋梁有優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)函數(shù)。(1)科學(xué)選擇合適的設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)于設(shè)計(jì)具有重要的影響作用，其中變化規(guī)模較小，對(duì)于整體的要求不高的指標(biāo)可以將其作為預(yù)定的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，這樣可以有效降低計(jì)算的復(fù)雜程度。(2)確定目標(biāo)公式。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常將公路和橋梁作為整體進(jìn)行考慮，綜合計(jì)算其工程項(xiàng)目的成本，并對(duì)相應(yīng)的函數(shù)公式進(jìn)行優(yōu)化。

　　假設(shè)公路或者橋梁在使用壽命內(nèi)的失效概率是P1，那么當(dāng)其失效程度超過(guò)預(yù)估的最大程度時(shí)，就必須要考慮對(duì)整體公路或者橋梁進(jìn)行重新建設(shè)。因此，我們可以認(rèn)為對(duì)于公路和橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可以簡(jiǎn)化為確定一組滿足預(yù)設(shè)項(xiàng)目的失效概率P1、截面規(guī)模以及幾何形狀等的數(shù)據(jù)，以獲得最低的C成本。minC=C1+C2P1(4)式中：C1是結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)成本，C2是對(duì)公路和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建的價(jià)格。

　　而C是一旦需要對(duì)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)開(kāi)始建設(shè)或者重建的總成本。失效概率P1可以被認(rèn)為是在公路和橋梁失效時(shí)所需要的重新建設(shè)的費(fèi)用，其可以計(jì)算為：(5)(3)明確制約條件。對(duì)于公路和橋梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案應(yīng)該具有一定的制約條件。通常來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)方案內(nèi)的邊界約束、變形約束、應(yīng)力約束、裂縫寬度約束以及強(qiáng)度約束外，還應(yīng)該設(shè)計(jì)可靠因素β作為制約的條件，這個(gè)制約的條件就是對(duì)于公路和橋梁設(shè)計(jì)的整體，將實(shí)際的可靠因素βS和期望的目標(biāo)因素βT進(jìn)行對(duì)比，以確保βS要值大于或者等于βT。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　傳統(tǒng)在公路設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期采用“定值設(shè)計(jì)法”，但是這種方式的優(yōu)化效率不高，精度較差，未來(lái)的“概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”已經(jīng)成為對(duì)公路和橋梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主流方案。文章通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)統(tǒng)計(jì)的方式，結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠性的理論，以工程結(jié)構(gòu)的失效概率來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性，促進(jìn)公路和橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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　　作者：樊海琳 單位：國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院

　　推薦閱讀：《世界橋梁》World Bridges(雙月刊)創(chuàng)辦于1973年，原名為《國(guó)外橋梁》，于2002年更名。現(xiàn)由中國(guó)鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司主辦，中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司出版。