桥梁结构优化设计的发展概况_尹世平

桥梁结构优化设计的发展概况

第19卷第4期山东建筑工程学院学报Vol.19

　　　　No.4

文章编号:1003-5990(2004)04-0065-04

桥梁结构优化设计的发展概况

尹世平,鹿晓阳,李洪福

(山东建筑工程学院工程结构现代分析与设计研究所,山东济南250014)

摘要:较全面的介绍了桥梁结构优化设计的发展,指出了优化设计在桥梁工程中发展缓慢的原因。讨论了基于可靠度的桥梁结构优化设计的模型,该模型可描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素,可定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标,科学地协调它们之间的矛盾,使它们达到合理的平衡;提出了该模型重点研究的内容和要解决的问题。探讨了基于可靠度桥梁优化设计的发展层次和未来的发展。关键词:桥梁结构;优化设计;发展;可靠度中图分类号:U442.5　　　　　文献标识码:A

Generalsituationsurveyofdevelopmentofoptimaldesign

ofbridgestructures

YINShi-ping,LUXiao-yang,LIHong-fu

(EngineeringStructureModernAnalysisandDesignGraduateSchool,ShandongUniversityofArchitectureandEngineering,Jinan25004,China)

Abstract:Thedevelopmentofoptimaldesignofbridgestructuresisintroducedall-around,andthereasonsofslowdevelopmentofoptimaldesignofbridgestructuresarepointedout.Themodelofoptimaldesignofbridgestructuresbasedonthereliabilityisdiscussed,whichcandescribeanddealwithimpersonallyexistentallkindsofuncertainfactorsinbridgestructuresandquantificationalanalyzeeachparameterofnumerationsafetyandapplicationandeconomy,andscientificallyassortwithcontradictionamongthemtoobtainlogicalbalance.Theresearchcontentandsolvingquestionsofthismodelarebroughtup.Thedevelopmentlayerandfuturedevelop-mentofoptimaldesignofbridgestructuresbasedonthereliabilityarediscussed.Keywords:bridgestructures;optimaldesign;development;reliability

0　引言

　　建立四通八达的现代化交通网,大力发展交通运输事业,对于发展国民经济,加强全国各族人民的团结,促进文化交流和巩固国防等方面,都具有非常重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路以及水利建设中,为了跨越各种障碍(如江河、沟谷、或其他线路等),必须修建各种类型的桥梁和涵洞,因此桥

涵是交通线中的重要组成部分,而且往往是保证全线早日通车的关键。在经济上,桥梁和涵洞的造价一般来说平均占公路总造价的10%～20%。在国防上,桥梁是交通运输的咽喉,在需要高速快速、机动的现代战争中,它具有非常重要的地位[1]。

20世纪50年代以来,由于科学技术的进步,工业水平的提高,社会生产力的高速发展,人们对桥梁建筑提出了更高的要求。现代高速公路上迂回交叉

收稿日期:2003-12-11

作者简介:尹世平(1978-),男,山东高密人,山东建筑工程学院在读硕士,主要从事桥梁结构优化设计的研究.

桥梁结构优化设计的发展概况

66　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　山东建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　

的立交桥、高架桥和城市高架道路,几十公里长的海湾、海峡大桥,新发展的城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等,这些新型桥不但是规模巨大的工程实体,而且犹如一条地上“彩虹”,将城市妆扮的格外美丽。纵观世界各国的大城市,常以工程雄伟的大桥作为城市的标志与骄傲。因而桥梁建筑已不单纯作为交通线上重要的工程实体,而且常作为一种空间艺术结构物存在于社会之中。这就对桥梁结构的设计提出了更高的要求

[2]

Fibonacci数列确定支座数量,然后用序列二次规划法巧妙地解决了具有连续形式的结构优化设计问题。上述的研究属结构静力优化的范围,而考虑到桥梁结构动特性(如频率、模态等)的研究开展得相对较少,并且多限于简单的桥型。如Olhoff和Plaut用变量微分方法对频率约束下的薄壁拱进行的截面优化,Butler和Banerjee采用可行方向法(MethodofFeasibleDirections)并引入动刚度矩阵实现了有频带禁区的弯扭耦合梁的优化等等。从文献上看,关于大跨度桥梁结构(特点是斜拉桥和悬索桥)动力优化设计的研究是非常有限的。迄今所见的研究绝大多数只是运用桁架单元和受弯的梁单元模拟结构进行初步设计上的优化,且设计变量多为结构单元的截面尺寸(面积)或截面惯性矩[4]。

[4]

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。

1　桥梁结构优化设计的发展

桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法,既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素,也不能定量地分析计算安全、适用及经济

的各项指标,更无法科学地协调它们之间的矛盾,使它们达到合理的平衡。事实上,传统设计方法追求的是一个满足设计规范条件下的最低水平设计[3]。

早在19世纪中期就出现了现代意义上的结构的优化设计理论,但应用优化方法于桥梁结构设计的相关研究却出现较晚[4-7]。开展最早发展也最为成熟的当数桁架桥的优化设计,这是因为该结构形式简单,往往只需取单元面积作为设计变量即可。Nakib综合应用Rosenbrock法、可行方向法、罚函数法、最速下降法等分别研究了确定的和基于可靠度的桁架桥的最轻重量设计。另外,有许多学者做了外形和拓扑方面的研究。如H.C.C.Gea在给定荷载情况下,限定一定的构造范围,对简支桁梁桥的构件布置做了优化设计。Yu,Gupla和Paul利用几何规划对预应力箱梁桥进行了截面优化。以截面尺寸为设计变量,约束条件包括弯曲应力、剪应力和偏心距;该文没有考虑挠度和极限强度的约束,但对几何规划在桥梁结构优化中的应用作了有益的探索。还有些学者以预应力或预应力筋偏心距等为设计变量对预应力混凝土桥梁作了优化[4]。

国内一些学者在桥梁结构的优化设计方面也进行了研究。李志文在其专著中较系统地阐述了当时桥梁优化设计的一些研究,如构件的最小重量设计、平面杆系结构(矩形断面)的最小体积设计等[8]。隋允康、钱令希等以余能原理和Mohr积分作为力学分,[4][4]

2　桥梁结构优化设计发展缓慢的原因

当前,结构优化设计在桥梁工程领域日益受到重视,但其应用的范围和程度还很不理想。其原因除了桥梁工程设计取费标准不利于推动优化技术之外,还可归结为桥梁工程结构优化问题的如下特点[1-3]:

(1)桥梁工程结构设计中的大量不确定性。如外部环境(荷载和结构所处场地类型等)的不确定性、结构本身的不确定性(结构材料性能、截面几何参数和计算模式的精度等不确定因素导致的结构构件抗力的不确定性)、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。为了充分考虑所涉及到的各种不确定性因素(目前主要考虑随机性因素),必须采用结构可靠度理论。

(2)桥梁工程结构设计准则的多重性。包括承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计以及与其它特殊功能要求相联系的极限状态。

(3)结构优化目标的多样性。对桥梁工程来说,人们既要求在目标方面考虑结构造价,还要考虑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,还可以以某些特定结构功能为目标。另外,目标函数的性质也很复杂,既有设计变量的显式函数(结构的重量或造价),又有设计变量的非线性、高度隐式函数(结构的失效损失期望);而且由结构造价和结构损失期

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