懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計研究

李井輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

采用懸臂澆筑施工的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋適用于陸域不中斷橋下交通的情況下跨越既有線路及構(gòu)造物、山區(qū)跨越河流深谷、內(nèi)河或海域跨越航道等場合；隨著我國橋梁技術(shù)的飛速發(fā)展，采用懸臂澆筑施工的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的設(shè)計、施工技術(shù)越來越成熟，該橋型已經(jīng)成為我國橋梁建設(shè)廣泛應(yīng)用的橋型之一。

懸臂澆筑施工預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋上部箱梁設(shè)計主要包含：預(yù)應(yīng)力鋼束合理配置、鋼束施工圖繪制、主梁節(jié)段鋼筋圖繪制等。對于大跨徑懸澆梁，合理的配置預(yù)應(yīng)力鋼束需要對上百根鋼束反復(fù)調(diào)整試算，計算工作量大；接下來的鋼束圖、鋼筋圖繪制要面對上百根呈空間曲線狀的鋼束、十幾個懸澆節(jié)段，也是一項繁重的勞動。如何能夠使設(shè)計人員從繁重的計算繪圖工作中解脫出來、提高工作效率、保證設(shè)計質(zhì)量，顯得尤為重要；本文以六枝至安龍高速公路上跨徑60 m+110 m+60 m的石糯尾大橋為例介紹一套適用的懸澆梁計算及自動繪圖方法。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆箱梁設(shè)計流程

懸臂澆筑施工預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1 石糯尾大橋設(shè)計流程圖

2 主梁幾何尺寸擬定、建模及配置鋼束

2.1 主梁幾何尺寸擬定及參數(shù)化建模

懸澆梁幾何尺寸包括：縱橋向主梁幾何尺寸、橫橋向截面細部尺寸；縱橋向主梁幾何尺寸包括：邊跨與中跨比值、跨中截面高跨比、支點截面高跨比、合攏段長度、曲線變高段線形等；橫橋向截面細部尺寸包括：腹板間距、頂板厚度、底板厚度、腹板厚度、懸臂板厚度、承托尺寸等。本橋設(shè)計開展初期，首先搜集已建類似跨徑的橋梁資料，對其幾何尺寸進行統(tǒng)計對比分析，并結(jié)合設(shè)計規(guī)范來擬定本橋幾何尺寸，表1列出了設(shè)計初期本橋擬定的幾項幾何尺寸。

表1 懸澆梁幾何構(gòu)造尺寸擬定表

接下來利用有限元分析軟件“橋梁博士”提供的參數(shù)化建模功能，把擬定的懸澆梁幾何尺寸輸入到有限元計算軟件中。參數(shù)化建模與傳統(tǒng)的截面差值建模方法相比優(yōu)勢在于：建模速度快、可以適應(yīng)截面尺寸的任何改動；截面尺寸后期調(diào)整時僅需修改參數(shù)數(shù)值即可，不需要對單元進行逐個修改，特別適用于計算模型的反復(fù)微調(diào)，如：“主梁梁高變化曲線由2次拋物線調(diào)為1.8次拋物線、腹板變厚段調(diào)整等”。

2.2 懸澆箱梁優(yōu)化配置鋼束

在進行懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計時，預(yù)應(yīng)力鋼束配置是否合理直接影響橋梁結(jié)構(gòu)受力及使用性能，但合理地布置預(yù)應(yīng)力鋼束需要對鋼束進行反復(fù)調(diào)整試算，計算工作量大，且需要設(shè)計者有較豐富的設(shè)計經(jīng)驗；為此可以將數(shù)學(xué)優(yōu)化方法應(yīng)用于懸澆梁配束上，利用AutoCAD二次開發(fā)工具包Object ARX編制出優(yōu)化配置鋼束程序來解決傳統(tǒng)配束計算方法的不足。

優(yōu)化配束程序以預(yù)加力為優(yōu)化對象、選擇單元左右截面應(yīng)力限值作為約束條件、全橋鋼束用量作為目標函數(shù)建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型進行全橋鋼束用量最小的優(yōu)化計算。程序模塊由四部分組成：前處理數(shù)據(jù)模塊、平面桿系有限元計算模塊、線性規(guī)劃求解模塊、交互處理結(jié)果數(shù)據(jù)模塊。程序在計算鋼束用量時可以考慮非線性溫差自應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力鋼束次內(nèi)力的影響，彌補了商業(yè)計算軟件在計算鋼束用量時無法考慮非線性溫差自應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力鋼束次內(nèi)力影響的不足。下面以石糯尾大橋為例，介紹下優(yōu)化配束過程。

(1)利用橋梁博士軟件建立懸澆梁計算模型并生成腳本文件。

(2)運行Auto cad，執(zhí)行命令gsyh，輸入控制應(yīng)力：最小拉應(yīng)力1.0 MPa、最大壓應(yīng)力13.5 MPa；主梁鋼束根數(shù)優(yōu)化結(jié)果見圖2；將鋼束優(yōu)化等代內(nèi)力結(jié)果文件qiaobo.txt中的內(nèi)力結(jié)果復(fù)制到橋梁博士腳本文件中，計算并查看計算結(jié)果，如圖3～圖4。從應(yīng)力圖形可以看出，優(yōu)化出的結(jié)果非常合理。

圖3 優(yōu)化結(jié)果(短期組合最小拉應(yīng)力)

圖4 優(yōu)化結(jié)果(短暫狀況最大壓應(yīng)力)

(3)根據(jù)優(yōu)化出的各截面鋼束根數(shù)，布置懸澆頂板束、邊跨頂?shù)装搴淆埵⒅锌珥數(shù)装搴淆埵?；將鋼束文件以DXF格式保存并導(dǎo)入橋梁博士軟件中執(zhí)行驗算。

至此，調(diào)束流程結(jié)束，基本上一次就滿足驗算要求，稍加幾次調(diào)整就可達到非常滿意的應(yīng)力效果。

3 懸澆箱梁鋼束圖、鋼筋圖繪制

現(xiàn)行商業(yè)繪圖軟件不足之處。

(1)繪圖軟件與計算軟件不關(guān)聯(lián)，計算軟件中已經(jīng)存在的“箱梁構(gòu)造信息、鋼束數(shù)據(jù)信息等”無法被利用，繪圖軟件需要將其重新輸入，存在大量重復(fù)工作。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束線形為復(fù)雜的空間曲線，繪圖時需要輸入龐大的鋼束數(shù)據(jù)信息，工作量并未減少。

(3)本院積累多年的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計習(xí)慣等在商業(yè)軟件中無法反映，后期需要對繪制的圖紙進行大量修改。

為此以Auto CAD為平臺，利用CAD二次開發(fā)工具包Object ARX編制了懸澆梁繪圖模塊，本模塊可以利用計算模型中主梁幾何尺寸、鋼束豎彎等數(shù)據(jù)信息，減少大量重復(fù)工作；模塊內(nèi)封裝了我院的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合CAD平臺下的鋼束平彎信息，即可自動生成滿足我院要求的工程圖紙。繪圖過程如下：

(1)在Auto cad命令行輸入gsht，啟動繪圖模塊，如圖5。

圖5 鋼束繪制模塊圖

(2)點擊“斷面鋼束信息”布置斷面鋼束，如圖6；點擊“生成平彎信息”，在CAD中繪出鋼束平彎圖形。

圖6 鋼束斷面布置

(3)“檢查鋼束起始點”可以檢查鋼束平彎圖形起始點與橋梁博士軟件中的豎彎起始點是否一致，如一致，點擊“繪制施工圖紙”完成鋼束圖、鋼筋圖繪圖。

4 結(jié) 論

本文介紹的預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆梁優(yōu)化配束及繪圖程序有如下特點。

(1)編制的優(yōu)化配束程序計算出的預(yù)加力優(yōu)化結(jié)果非常合理，利用優(yōu)化出的鋼束結(jié)果可以很方便的配置出懸澆梁鋼束；

(2)編制的繪圖模塊封裝了本單位的設(shè)計習(xí)慣，通過讀取有限元計算模型中的數(shù)據(jù)信息、結(jié)合AutoCAD中繪出的鋼束平彎圖形信息，可以繪制出鋼束、鋼筋圖紙，過程簡潔、靈活、合理，更符合本單位的出圖習(xí)慣。