论桥梁结构优化设计理念分析
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摘要：近几年，随着我国城市化进程的不断加快，我国公路建设事业蒸蒸向上，同时也带动了我国桥梁技术的发展。然而，随之而来的各种桥梁工程质量问题也不断出现。本文介绍了我国桥梁结构优化设计的发展及现状，分析了其发展缓慢的原因，并探讨了桥梁结构的优化设计，以提高桥梁工程质量，巩固桥梁结构。
关键词：桥梁；结构；优化设计
桥梁和涵洞是交通线中的重要组成部分，是为了跨越江河、沟谷或其他线路等各种障碍而修建的，是保证全线早日通车的关键所在。经济、安全、适用是桥梁结构设计的基本原则，而我国传统的桥梁结构设计的主要方法是定植设计，这种方法既不能对桥梁结构中存在的各种客观的、不确定的因素进行有效地处理与描述，也不能定量计算分析桥梁经济、安全、舒适等各项指标。因而，为了对经济与安全、长远效益与近期投资之间的矛盾有很好地协调，我们需要采用新的优化设计理念对桥梁结构进行分析，从而使桥梁结构设计方案能够真正优化。本文结合笔者多年的工作经验介绍了我国桥梁结构优化设计的发展及现状，分析了其发展缓慢的原因，并探讨了桥梁结构的优化设计，以提高桥梁工程质量，巩固桥梁结构。
桥梁结构优化设计理念的现在
随着建设实践，我国的桥梁结构优化设计理论及方法大约是1960年开始才大量出现的，并于1970年以后才逐步发展起来。目前行业所应用的一些桥梁结构局部优化及整体优化理论都是在给定安全系数容许应力法的基础上建立起来的，该法主要应用于钢桁架桥等钢桥，较难适用于一些材料多种多样、结构较复杂的桥梁。随着我国桥梁结构设计理论的不断发展，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，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转变为基于可靠度理论的半概率设计、全概率设计及近似概率设计等。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发、数学规划法和仿学生法三种。最优准则发是指根据工程经验、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。
桥梁结构优化设计发展缓慢的原因
目前，在桥梁工程领域 都越来越重视桥梁结构优化设计，其技术也在不断地提高，但是其应用的范围和程度还不是很理想，发展较缓慢。其原因主要有以下几点：1）桥梁工程设计取费标准不利于推动优化技术；2）桥梁工程结构设计存在诸多不确定性。如结构材料性能、截面几何参数等结构本身的不确定性，荷载和结构所处场地类型等结构外部环境，结构整体分析中由于模型简化的误差而导致的不确定性等。因此，必须采用结构可靠度理论以充分考虑随机性因素等结构所涉及到各种不确定因素；3）桥梁工程结构设计准则的多重性。多重性主要是指桥梁结构正常使用极限状态设计、承载能力极限状态设计及其它特殊功能要求相联系的极限状态；4）结构优化目标的多样性。人们对桥梁工程的优化目标主要包括结构构价、结构运行和维修费用、不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望及一些特点结构功能等；5）结构设计变量的离散性。这是由施工条件的要求所导致的；6）约束条件数目的庞大性与性质的复杂性。
桥梁结构优化设计理念
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。找出结构构价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。
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。这是因为桥梁的尺寸或材料等参数可能会在桥梁构件可靠概率发生改变而进行相应的改变，从而导致桥梁构件刚度和内力也随之改变，即桥梁构件的荷载效应与抗力发生改变。
结论
近年来，我国桥梁结构关于可靠度理论与优化理论体系正逐渐趋于成熟，不过仍然有许多实际难题（如构件之间的关联性质、实际结构的组成方式简化等）存在于桥梁结构的可靠度分析方面亟待解决。此外，还需要一种高效快捷的数值方式来解决桥梁结构优化过程中存在的验算工作与调整工作。只有这样不断优化桥梁结构设计理念才可提高桥梁工程质量，巩固桥梁结构，并提供一个经济、适用、安全的桥梁。
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