读书报告―桥梁结构体系及其优化与创新

桥梁结构体系及其优化与创新“大跨径桥梁结构体系及其优化与创新”的讲座非常全面、深刻、新颖，深入浅出和具有启发性，开阔了视野，激发了学习兴趣，使我受益匪浅。1桥梁结构体系1.1桥梁结构体型的定义桥梁结构体系是桥梁的结构功能、外形及其受力形态的统一。结构功能是桥梁结构体系的第一层含义，是供人和物体跨越障碍物，主要为跨越结构。结构形式是结构体系的第二层含义，根据结构形式，桥梁结构可分为四种基本体系：梁式体系、拱式体系、斜拉桥体系、悬索桥体系。结构受力形态是结构体系的第三层次，受力形态包括结构内部荷载的传递方式及其平衡时的内力状态，它是结构体系的内核。同一桥型体系的受力形态仍是千差万别的，其最主要的影响因素可归纳为三个方面：外部对结构体系的约束，如结构体系是否静定将决定温度、支座沉降等对结构体系的影响；结构内部主要受力构件间的传力形式，如斜拉桥塔、梁、墩的连接形式将影响结构体系内部荷载的传递；主要构件间的受力分配，如拱桥中有刚拱柔梁、刚拱刚梁和柔拱刚梁之分。根据上述三个层次去定义结构体系，可以将桥梁结构体系与其他结构体系区分开，并能系统地表述桥梁的轮廓及其基本的力学性能，同时也为系统研究桥梁结构体系奠定了基础。1.2评判桥梁体系优劣的标准一个确定的桥梁结构体系对应着其独有的力学性能。但同一结构体系在不同的场合下使用，可能是优秀的，也可能是拙劣的。因此，明确评判桥梁结构体系优劣的标准尤为重要。首先是结构体系跨越能力的合理性。每种桥梁体系都有其合理跨径范围，简支梁不可能做到超百米，否则就不是不经济或是不可能的；反过来，除非处于景观等特殊需求，也很难想象在跨度只有几十米的小桥中采用悬索桥体系。其次，体系必须适应桥位处地址水文条件。它对应结构受力形态的第一方面：外界对结构体系的约束。如：软土地基区域不宜承受水平力，因此有推力拱桥体桥梁工程最新进展桥梁结构体系及其优化与创新1系一般是不合理的方案，而在山区地基承载力高的条件下，有推力拱桥往往又成为最佳方案。再者，体系内部构件传力的有效性也十分重要，它对应于结构受力形态的第二方面：内部构件间的连接形式。例如，大跨径斜拉桥中的塔梁连接形式，温度效应作用下希望采用漂浮体系以释放温度内力，而在纵桥向静风荷载作用下希望采用固结体系以减小主塔受力，体系的选择就应根据桥位处的实际情况，找出主要矛盾，用有利于克服主要矛盾的体系，而对于各种矛盾都比较突出的情况，工程中采用了主梁限位装置，在给定的范围内可以自由变位，达到位移限制后成为固结体系，合理解决了各种荷载作用下受力需求的矛盾。还有，体系刚度搭配的合理性也可反映其优劣。这一点对应于结构受力形态的第三方面：主要构件间的受力分配。一个好的结构体系中，不仅各构件刚度搭配合理，而且结构中构件受力应该较为均衡，虽然不可能达到理想的等强度状态，但至少应保证各构件受力安全度相差不大。综上所述，桥梁体系优劣评价并无绝对标准。确定桥梁体系必须结合各方面的要求统筹考虑，最后做出最好的选择。2桥梁结构体系的研究、优化与创新2.1桥梁结构体系的研究研究桥梁结构体系的目的是为了摸清体系自身的受力特性，以便开展桥梁结构体系的优化，并因地制宜地应用于实际工程。体系研究在内容上可分为以下几个方面：（1）桥型体系的综合力学特性研究——摸清各种桥型体系的综合力学特点及其适用范围，为桥型选择提供依据。这方面的研究已有许多成果；（2）同一桥型不同受力体系的对比研究——摸清各受力体系间的共性与特殊性，为因地制宜地选择桥梁受力体系提供理论依据，具体可从桥梁结构受力形态的3个方面展开；（3）参数研究——不同设计参数对同一桥梁体系的受力影响研究，为合理设计结构提供理论依据；（4）新型桥梁体系的力学性能研究；（5）新材料、新工艺对传统桥梁结构体系的影响研究。体系研究应与施工问题、美学问题以及造价问题结合起来。桥梁工程最新进展桥梁结构体系及其优化与创新22.2桥梁结构体系的优化体系优化的目的是在桥型不变的情况下，通过改变体系第三层次的内容，使桥梁结构受力更加合理，施工更加方便，更具经济性、可养护性。体系的优化是基于体系研究的，不同于传统意义上的结构优化。体系优化必须根据桥址处的实际情况和施工条件，抓住主要矛盾，开展广泛的对比研究，从多方案中选择最优体系。2.3桥梁结构体系的创新现代桥梁创新在设计层面上讲无非是体系创新与材料创新。桥梁结构体系创新是为满足特定建桥条件而对基本桥梁结构体系进行改变、组合或对其受力形态进行变化而做的创新工作。正是由于体系创新，才出现了现今丰富多样的桥梁结构。结构体系的改变能从根本上改变结构的力学性能，从而突破结构自身的瓶颈。比如中国传统的拱桥因其在拱脚处产生水平推力，所以难以在软土地基中应用，极大地束缚了它的发展。为了避免拱桥推力对基础的影响，发展了部分有推力和无推力拱桥。3大跨度桥梁结构的优化大跨度桥梁形式多样，有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式，如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中，悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。3.1大跨度桥梁结构优化设计的研究现状尽管早在19世纪中期就出现了现代意义上的结构优化设计理论，但将其应用于桥梁结构设计的相关研究却出现较晚。国外在20世纪60年代开始有了桥梁结构优化设计的研究，而我国直到20世纪70年代末才开始有这方面的研究。而对大跨度桥梁优化设计的研究却是在20世纪末大跨度桥梁飞速发展后才发展起来的，综合起来主要集中在局部优化和整体优化。3.1.1局部优化局部最优虽不能等同于整体最优，但却有益于整体最优，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。目前对大跨度桥梁的局部结构优化研究已涉及到大跨度桥梁结桥梁工程最新进展桥梁结构体系及其优化与创新3构设计及施工的各个方面，主要有：加劲梁横截面的优化，斜拉索或主缆的动力优化，索力调整优化，索塔的结构优化，斜拉索和吊索锚固的优化，悬索桥锚锭的优化，桥墩及基础优化。3.1.2整体优化大跨度桥梁都为高次超静定结构，结构复杂，设计变量多，建设和设计又涉及到多方面的因素。因此，要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立，也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此，对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但评价一座桥梁的优劣不是凭借局部而是要看整体效果，因此对整体的优化研究尽管有难度但依然是必须的。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面：整体造价最优，整体动力性能优化，整体施工工艺优化，桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。3.2优化理论和方法3.2.1基于可靠度的大跨度桥梁结构优化设计现有的大跨度桥梁结构优化理论，不论是整体优化还是局部优化，都是以容许应力法为基础建立起来的。随着现代设计理论的发展，即由传统的容许应力设计法到基于可靠度理论的半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法等的发展，也开始有了基于可靠度理论的桥梁结构优化设计。事实上，由于优化和可靠度概念的本质联系，基于可靠度结构优化设计几乎和可靠度的概念同时出现。早在1924年，Forsell就开始了基于可靠度结构优化设计的研究。其发展过程可分为两个阶段：以元件可靠度或以各失效模式的可靠度为约束条件的优化设计方法和以结构系统的失效概率为约束条件（目标函数）的优化设计方法。基于可靠度的结构优化设计，具有以下特点：（1）结构设计目标多样性；（2）结构约束多重性；（3）结构设计不确定性。基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为以下4个优化水平：1）截面优化，以截面尺寸作为设计变量；2）形状优化，以截面尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量；3）结构优化，以截面尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量；4）总体优化，以截面尺寸、描述形状的几何桥梁工程最新进展桥梁结构体系及其优化与创新4尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量。目前，大量的研究工作集中在截面优化，对形状优化也开展了一定的研究，对结构优化的研究相对较少，而总体优化的研究则更少。未来的研究将以系统可靠度为约束条件的结构优化方法探讨为主。基于可靠度的结构优化理论能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，定量的分析计算安全与经济的各项指标并能很好地协调这两者之间的矛盾，这是传统的定值设计法所做不到的。因此将其应用于桥梁结构的优化设计是一个值得研究的课题。而针对具体的大跨度桥梁结构，怎样根据不同的实际情况，选择实用可行的优化模型和求解方法，还有待我们去研究。3.2.2大跨度桥梁结构拓扑优化工程结构优化设计可以根据设计变量的类型分为3个不同的层次：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。最近20多年来，结构优化设计的研究重点已由尺寸优化转向形状优化和拓扑优化，但对大跨度桥梁结构的优化研究大多数仍停留在尺寸优化这一层次。目前的拓扑优化方法主要有4种：离散化连续体优化准则法、遗传算法、均匀化方法、渐进结构优化技术，其中以渐进结构优化技术适用面最广。它最初是由澳大利亚的YiMingXie和GtantP.Steven提出的。因其概念简洁，计算效率高而受到广泛关注。然而许多工程都是由混凝土和钢材等材料构成的，混凝土有很高的抗压强度，而钢材抗拉性能好，实际工程中也有许多结构主要以压应力或拉应力为主，该优化方法以设计域的相关体积为目标函数，同时考虑应力、位移和频率约束。总之，大跨度桥梁结构的拓扑优化研究才刚刚开始，还有许多问题有待我们去研究。对于大跨度桥梁结构优化设计，并没有一种特定的能适用于任何问题的优化算法，而应根据具体情况选择合理的优化算法。寻求最优解的方法，据不完全统计目前已超过300多种，大致可分为3类：数学规划法、最优准则法和仿生学法。3.3大跨度桥梁结构优化的发展趋势未来的大跨度桥梁结构优化设计研究主要应在以下几个方面加大力度：（1）多目标结构整体优化设计，以期达到整体结构经济（包括建设费用和维修费用）、安全（可靠耐久）、适用（满足使用要求和行车舒适）和美观的统一，这是大跨度桥梁结构化设计研究的最终目的。桥梁工程最新进展桥梁结构体系及其优化与创新5（2）新型大跨度桥梁结构形式的优化研究，如斜拉—悬吊混合体系桥等。这些类型的桥梁设计经验少甚至没有经验，但却是我们探索更为合理的大跨度桥梁的必经之路，因此对其进行优化设计研究就显得更为重要。（3）基于可靠度理论的大跨度桥梁结构优化设计研究，目前的结构设计已普遍采用可靠度理论，基于可靠度理论的结构优化设计理论也早有研究，而将其应用于桥梁结构的研究却才刚刚开始。（4）大跨度桥梁结构拓扑优化，拓扑优化目前尚处在理论探索阶段，将其应用于大跨度桥梁结构工程实际还有待开发。（5）大跨度桥梁结构的动力优化，对于大跨度桥梁结构来说，动力问题至关重要，而要想跨度有进一步的突破，首先要解决的问题之一便是动力问题。（6）适合大跨度桥梁结构的优化算法，大跨度桥梁结构复杂，设计变量多，根据具体的优化问题，建立有效的求解策略和优化算法，甚至对一些现有的优化算法进行改进、重组或推出新的行之有效的优化算法。（7）根据优化的特点建立目标函数和约束函数的高精度近似显式。近似函数的建立将大幅度地降低结构重分析的次数，节省计算时间。小结本报告阐述了桥梁结构体系的概念和评判标准，对桥梁结构体系的研究、优化与创新进行了解释，特别是大跨度桥梁结构优化的研究现状，研究方法和未来趋势进行了综述。参考文献[1]肖汝诚，陈红，魏乐永.桥梁结构体系的研究、优化与创新[J].土木工程学报，2008，41（6）：69-74[2]项海帆，肖汝诚，葛耀君等.桥梁概念设计[M].人民交通出版社，2011[3]胡建华，陈冠雄，向建军，刘榕.平胜大桥设计构思与创新技术[J].2006（2）：28-32[4]尹志清.自锚式悬索桥独塔的创新技术[J].2009（2）：25-28[5]谢亚洲，肖汝诚，李扬.三种拱式体系的性能比较[J].2011，36（5）：80-85[6]梁鹏，肖汝诚，夏敏，刘浩.超大跨度缆索承重桥梁结构体系[J].公路交