預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋參數(shù)化計(jì)算分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

肖明洋,王 維

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋參數(shù)化計(jì)算分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

肖明洋,王 維

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁是一種常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，由于水電站道路通行的特殊車輛種類較多，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)各種特殊車輛進(jìn)行計(jì)算分析，過(guò)程十分繁瑣。本文將此類橋梁的主要設(shè)計(jì)變量參數(shù)化，編制程序?qū)崿F(xiàn)自定義交通荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算及橫梁、橋面板驗(yàn)算，并基于Midas Civil的數(shù)據(jù)接口自動(dòng)建立整體分析模型，縮短了此類橋梁的設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算分析的標(biāo)準(zhǔn)化。

簡(jiǎn)支T梁橋;MCT數(shù)據(jù)接口;橋面板計(jì)算;橫梁計(jì)算;自定義交通荷載

0 前 言

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋是公路設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的橋型之一，通常參照標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)，在水電站相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)中，由于橋梁寬度、交通荷載等級(jí)、橋梁橫向布置、非標(biāo)準(zhǔn)跨徑等因素通常需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行修改，并進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算，以滿足規(guī)范的相關(guān)要求。通常，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖1所示。與普通公路設(shè)計(jì)不同，水電站相關(guān)交通設(shè)施通過(guò)的材料、設(shè)備等大件運(yùn)輸較為普遍，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)多種交通荷載分別進(jìn)行校核，過(guò)程繁瑣。本文對(duì)T梁橋計(jì)算過(guò)程進(jìn)行抽象，將T梁橋和各類交通荷載參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)各汽車/掛車荷載作用下的橋面板和橫梁自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)利用Midas Civil程序的MCT數(shù)據(jù)接口縱向自動(dòng)建立

邊、中T梁的整體計(jì)算模型。結(jié)合藏木水電站場(chǎng)內(nèi)交通的某預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)的一般計(jì)算過(guò)程

1 結(jié)構(gòu)和荷載的參數(shù)化

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是對(duì)預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋和其承受的荷載進(jìn)行參數(shù)化，用一組標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)來(lái)描述橋梁的主要設(shè)計(jì)變量，參數(shù)化的過(guò)程既需要考慮設(shè)計(jì)習(xí)慣，使參數(shù)盡可能少，又要保證需要修改的設(shè)計(jì)變量能夠充分開(kāi)放給工程師。結(jié)構(gòu)和荷載參數(shù)分類如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)和荷載參數(shù)分類

橋梁參數(shù)中，橋面布置信息為護(hù)欄、人行道、行車道寬度布置及鋪裝層厚度；普通鋼筋信息包括T梁的底面主筋、跨中及支點(diǎn)箍筋，橋面板的主筋，橫梁的頂?shù)酌嬷鹘?、箍筋信息。T梁及橫隔梁尺寸包含兩類構(gòu)件的截面尺寸及其位置分布；預(yù)應(yīng)力鋼束形狀通過(guò)彎起角度、彎曲半徑、跨中高度、錨固位置四個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。

荷載選取簡(jiǎn)支梁計(jì)算過(guò)程中主要考慮的6類荷載即：結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、溫度梯度、汽車/掛車荷載、人群荷載，由于結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力荷載相對(duì)固定，無(wú)需專門描述。其中汽車/掛車根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，分為3類：(1)分布荷載+集中荷載的車道荷載模式，如現(xiàn)行橋涵規(guī)范中的公路I級(jí)[5]、城-A荷載等;(2)單車輪載列+最小間距描述汽車荷載，單車數(shù)量不限制，如汽-60、汽-80荷載等[3];(3)特殊掛車荷載，車頭+掛車輪載列描述，全橋居

中布置1輛，不計(jì)沖擊系數(shù)，如特-160、特-300等[3]。由于不同種類構(gòu)件計(jì)算需要不同的荷載模式，自定義交通荷載時(shí)，需要指定每種交通荷載的縱向總體加載模式、縱向局部加載模式和橫向局部加載模式三種模式，如公路I級(jí)荷載需要描述車道荷載、車輛荷載縱向布置、車輛荷載橫向布置(含車輪著地寬度信息)。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

在參數(shù)化完成的基礎(chǔ)上，以目標(biāo)為導(dǎo)向劃分為縱梁模型生成模塊、橋面板及橫梁計(jì)算三個(gè)功能模塊，并逐一進(jìn)行設(shè)計(jì)。各功能模塊的子模塊劃分如圖3所示。

圖3 各功能模塊的子模塊劃分

2.1 縱梁模型生成模塊

Midas Civil是一款國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的橋梁有限元軟件之一，該平臺(tái)上，工程師可以通過(guò)文本格式MCT文件建模替代手工界面操作，從而加快建模速度。該模塊首先通過(guò)按照修正的偏心壓力法計(jì)算各縱梁的橫向影響線[1]，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的影響線加載算法進(jìn)行影響線加載[2],求得每片T梁的橫向分布系數(shù)；根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特殊點(diǎn)(如橫梁位置、支座位置、變截面位置等)和用戶輸入的參考單元尺寸，對(duì)縱梁進(jìn)行智能的單元?jiǎng)澐?，生成?jié)點(diǎn)單元坐標(biāo)和編號(hào)信息，計(jì)算鋼束坐標(biāo)并關(guān)聯(lián)到單元，最后按照數(shù)據(jù)格式的要求生成MCT文件，包含不同交通荷載工況下的中梁及邊梁計(jì)算模型，用戶可以直接在Midas Civil平臺(tái)上運(yùn)行MCT文件，生成對(duì)應(yīng)計(jì)算模型，高效完成計(jì)算分析工作。

2.2 橋面板計(jì)算模塊

T梁的橋面板屬于局部構(gòu)件，按現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算過(guò)程難以采用標(biāo)準(zhǔn)的有限元軟件進(jìn)行。T梁橋的橫梁間距一般情況都大于縱梁間距的2倍以上，根據(jù)規(guī)范規(guī)定可按單向板進(jìn)行計(jì)算。T梁的邊梁外側(cè)懸臂板，由于護(hù)欄寬度、人行道及車輪距離路沿石最小距離的限制，一般不起控制作用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮懸臂板計(jì)算的情形，僅按照單向板對(duì)橋面板進(jìn)行計(jì)算，能滿足絕大多數(shù)簡(jiǎn)支T梁橋的計(jì)算需求。該模塊首先按照交通荷載的局部縱向加載模式計(jì)算橋面板有效分布寬度，然后對(duì)等效簡(jiǎn)支板的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力影響線加載，經(jīng)過(guò)換算得到單位寬度橋面板的實(shí)際彎矩和剪力，并對(duì)板跨中和支點(diǎn)截面的抗彎承載力和最大裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)支點(diǎn)截面的抗剪承載力按無(wú)腹筋板進(jìn)行驗(yàn)算[4]，最后輸出詳細(xì)的計(jì)算書(shū)。

2.3 橫梁計(jì)算模塊

一般的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的中橫梁對(duì)設(shè)計(jì)起控制作用[1]，該模塊首先按照杠桿法計(jì)算中橫梁的縱向影響線，并根據(jù)交通荷載的縱向局部加載模式對(duì)其進(jìn)行影響線加載，然后按照彈性支撐連續(xù)梁計(jì)算模型，計(jì)算中橫梁每個(gè)支點(diǎn)兩側(cè)截面和跨中截面的內(nèi)力影響線，并按照橫向局部加載模式進(jìn)行橫向加載，求得橫梁的最不利正負(fù)彎矩和剪力，最后進(jìn)行抗彎承載力、裂縫寬度驗(yàn)算及抗剪承載力驗(yàn)算，并輸出詳細(xì)的計(jì)算書(shū)供用戶參考和復(fù)核。

3 計(jì)算實(shí)例

以藏木水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程的某5-40 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)槔湓O(shè)計(jì)汽車荷載為汽-60級(jí)。采用本系統(tǒng)，中梁的Midas Civil計(jì)算模型如圖4所示。橋面板和橫梁主要計(jì)算結(jié)論如表1所示。

圖4 Midas Civil平臺(tái)中的縱向中梁的整體計(jì)算模型

驗(yàn)算項(xiàng)目計(jì)算值允許值是否滿足橋面板單位板寬跨中抗彎/kN·m32.449是橋面板單位板寬支點(diǎn)抗彎/kN·m45.468.6是橋面板單位板寬支點(diǎn)抗剪/kN150221.8是橋面板跨中最大裂縫寬度/mm0.090.2是橋面板支點(diǎn)最大裂縫寬度/mm0.10.2是橫梁正彎矩抗彎/kN·m7871234是橫梁負(fù)彎矩抗彎/kN·m727927是橫梁抗剪承載力/kN6921034是橫梁頂面最大裂縫寬度/mm0.120.2是橫梁底面最大裂縫寬度/mm0.10.2是

4 結(jié) 論

采用本系統(tǒng)后，僅通過(guò)修改少數(shù)設(shè)計(jì)變量，就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建立預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁橋主梁縱向整體有限元模型，對(duì)橋面板、橫梁等局部構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)算；通過(guò)自定義荷載功能，也能方便快捷對(duì)運(yùn)輸水電站大件設(shè)備的非標(biāo)準(zhǔn)掛車荷載的通過(guò)性進(jìn)行檢查，提高了計(jì)算分析效率；同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算降低了工程師手動(dòng)建模和手算過(guò)程中出錯(cuò)的概率，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M]，北京：人民交通出版社，2001.

[2] 石志源.橋梁結(jié)構(gòu)電算[M]，北京：人民交通出版社，2011.

[3] NB/T 35012-2013.水電工程對(duì)外交通專用公路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2013.

[4] JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004.

[5] JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].2004.

2016-09-02

肖明洋(1986-)，男，四川岳池人，碩士,工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

U441.2

B

1003-9805(2017)01-0092-02