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

摘要：随着我国交通事业的迅速发展，桥梁结构体系也越来越复杂，因此对结

构体系的优化问题得到了许多研究者的关注。本文主要针对桥梁结构体系的基本

概念、优化和创新的方法进行阐述，为设计和施工人员提供合理的优化思路与方法，为以后桥梁体系的优化和创新工作奠定基础。

关键词：桥梁；结构体系；优化；创新；发展；.

1 桥梁结构体系

1.1 桥梁结构体型的定义

桥梁结构体系主要是指某一桥梁在功能、外观和受力方式等方面的状态情况。桥梁结构体系中分为三方面概述，第一方面指的是结构的功能，桥梁结构的主要

功能是为人和车辆等提供跨越河流、山谷的一种跨越建筑物。第二方面代表着桥

梁结构的形式，根据结构类型，可分为四种基本体系：梁桥、拱桥、斜拉桥和悬

索桥等形式。第三方面与桥梁结构的力学方面相关，代表为结构的受力状态，它

包括结构中荷载的传递方式使其达到一种平衡的状态，属于结构体系和核心部分。

对于相同桥型的桥梁体系，受力形态不同，其最主要的影响因素可归纳为三

个点：一、桥梁结构体系在约束状况影响，如结构支座处的沉降脱空等；二、结

构内部荷载传递方式的影响，比如桥梁在墩梁处是支座连接还是固接，都会导致

桥梁结构体系传力和受力的不同；三、结构构件之间承受荷载力的分配比例影响，如拱桥中刚拱柔梁和刚拱刚梁在承受荷载时，不同构件所受力的大小不同。

1.2 评判桥梁体系优劣的标准

我们首先应该对桥梁的跨径范围进行合理的评估和设计。每种桥梁体系都不

能违背它的极限标准，梁式桥不可能做成几百年米一跨的，这显然是不符合实际

的猜想；同样，对于悬索桥而言，除了是满足景观的需求以外，也不可能修建的

跨度只有几十米

此外，在选择桥梁体系时必须考虑项目当地的环境总况。它对应结构受力形

态的第一点：外界对结构体系的约束。比如：有些地基处主要是软土地质，不利

于承受水平推力，因此我们应该合理选取无推力拱体系，而在地基承载力很强的

情况下，又应该选取有推力拱体系。

由于结构刚度越大，承受分配荷载也越多，所以合理分配结构构件刚度十分

重要。这对应于结构受力形态的第三点：主要构件间的受力分配。较为优秀的结

构体系既有合理的构件刚度分配，又满足结构受力和稳定的基本要求。总的来说，没有一个固定的标准来评判桥梁体系的优劣，但在确定桥梁体系时仍需要多方面

因素进行考虑。

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

在桥梁结构体系的研究目的就是为了对一个完整结构的受力状态和特性有所

掌握，并对其进行优化处理，根据工程的需求进行改进，更好的实施。

桥梁结构体系的综合力学特性就是对各种桥梁形态进行力学分析，研究其适

用范围，为桥型的选择提供数据支撑，国内外研究者对此进行了大量的研究，并

得到了丰硕的成果。针对同一种桥梁类型的不同受力体系进行对比分析，得出各

个体系之间的受力共性和差异，因地制宜地选择最优的受力体系进行实施，桥梁

结构受力的状态可以从参数、新型桥梁体系受力性能和新材料的影响等方面进行

研究。

2.2 桥梁结构的优化与创新

结构体系优化的最终目的是实现结构在实际工程中的合理和优化的应用，主

要通过在桥型不改变的情况下，改变体系三个层次内容，使桥梁的受力状态合理，施工方便，具有经济性等。优化过程主要通过体系的研究而不是简单的结构优化。

体系优化需要严格根据当地的环境、交通、施工等因素，抓主要矛盾，进行

广泛的对比，从中选取最有方案的桥型。

桥梁结构在设计方面的创新一般包括体系创新和材料的创新两类。桥梁体系

的创新是基于项目施工环境和跨径要求对桥梁结构体系和受力情况进行不断进步

和创造。

3 大跨度桥梁结构的优化与发展趋势

大跨度桥梁形式多种多样，包括斜拉桥、悬索桥、拱桥和一些新造型的桥梁（全索桥、斜拉-悬吊混合体系桥）等。其中，悬索桥和斜拉桥仍然是大跨度桥梁中发展的主要趋势。

3.1 大跨度桥梁结构优化设计的研究现状

1960年国外开始对桥梁结构优化进行了一些研究，而国内到1980年才开始

对此进行研究，到了1990年以后大跨径桥梁结构优化设计的研究才开始进入飞

速发展，集中对整体优化和局部优化方面展开。

整体优化工作对于高次超静定结构而言，无论从目标函数的建立，还是追求

函数最优解方面都是相当困难的，但是对于一座桥梁只通过局部优化工作是不完

整的，尽管整体优化工作很困难也必须对此研究，为了对大跨度桥梁有全面的分析，必须关注桥梁结构的整体优化。局部优化相比整体优化变量要少，难度要小，对桥梁结构内部优化更加深入。

3.2 大跨度桥梁结构优化的发展趋势

大跨度桥梁结构体系未来的优化设计研究发展主要集中于5个方面：

（1）多层次结构的整体优化设计，实现在成本预算（建造费用、维修费用）、安全（稳定性和耐久性）、适用性（满足要求和行车顺畅）和美观的统一，这也

是大跨度桥梁体系优化设计的最终目的。

（2）新型大跨度桥梁结构的优化研究，如斜拉-悬吊混合体系等，对于这种

新型桥梁类型而言，尽管我们的经验不足，但是对桥梁未来的发展需求是必不可

少的，因此应该注重对新颖构造桥梁体系的优化工作。

（3）桥梁结构体系优化设计的结果是否可行，我们需要引用到可靠度理论，根据可靠度理论来分析桥梁优化的可行度，此理论目前在结构设计优化方面广泛

使用。国内外基于可靠性理论的优化设计的研究很多，但是针对桥梁体系的探索

才刚起步。

（4）大跨度桥梁结构除了考虑静定荷载作用下的优化设计外，动力优化也是个十分关键的问题，为了实现跨度更大的桥梁，动力荷载对桥梁的整体影响是首

要考虑的问题。

（5）大跨度桥梁结构一般较为复杂，设计变量多，所设计到的优化算法也有多种，需要根据具体的结构优化方向，选择合适的算法才能将问题有效解决。

4 小结

本文简单介绍了桥梁结构体系的含义、结构优化在桥梁方面的应用和发展趋势。其中最主要的是我们应该正确深刻认识桥梁结构优化的本质，根据实际项目

情况来选择合适的优化方法。因此做好桥梁体系结构的优化工作对桥梁的安全性、