橋梁設計過程中控制截面選取分析

李永忠 戴文彬

摘要：文章以控制截面選擇方法為研究對象，對橋梁設計過程控制截面選擇的方式進行總結分析，分別從模型選擇、初始截面的選取、選擇控制截面以及不利內力組合類型選擇方式，詳細闡述橋梁設計控制截面選擇方法，同時對設計區域及優化設計實施步驟進行研究，實踐可知，在橋梁設計過程中，針對不同位置的選擇不同的控制截面，可有效提高整體結構的穩定性。

關鍵詞：橋梁設計；結構；截面控制；選擇方法；分析

0.引言

容許應力法以及極限狀態法是橋梁設計過程常用的設計方法，容許應力法在設計過程中的主要目的是對荷載產生的應力和橋梁結構出現的極限應力進行計算，在實踐過程中若荷載產生的應力比極限應力小，則表示橋梁結構穩定、安全。一般情況下，在大型橋梁設計中極限狀態法是一種應用較多的設計方法，而對于容許應立法來說，其應用范圍較廣，在橋梁設計過程中，采用這種方法的目的主要在于找出橋梁結構控制截面，在設計過程中主要對截面采取有效的措施對其進行深入研究。

1.選擇控制截面的意義

橋梁設計過程是一項系統性的工作，在設計過程中，為了保證各種配件的合理性，需要針對性的找出構件的控制截面，同時還需要排除不利的截面內力，將其作為基礎，從而獲取配筋設計的參數，因此，為了更好的獲取相關的數據、參數，那么就需要做好相關構建的截面控制。

2.橋梁設計中控制截面的選擇方法

2.1選取模型

對于控制截面的選擇，在橋梁結構設計過程需要通過相關的模型對其進行確定，因此，選擇合適的模型進行截面控制非常有必要，按照相關研究可知，在方法選擇上漸進優化算法是一種重要的控制手段，具體方法如下：離散截面使其劃分為單元或是數量，在離散時按照單元網格的要求控制其數量，使其能夠得到更高的優化結果，但是該項工作需要在建模的環節完成，需要重復的對模型計算。一般情況下，初始狀態的模型形態的確定，它在一定的范圍內與截面的優化性質的合理性是存在密切聯系的。控制截面拓撲優化方式主要分為平面應力單元法以及三維實體單元法兩種。

對于第一種方法，其具備簡單易操作的特點，但是在應用過程控制的范圍不大，而采用第二種形式比較復雜化，但是該方法應用的領域較廣。故而在有限元計算分析時，通常都是以實體單元的方式進行模擬，若在求解階段，產生棋盤效應時，當空心材料與實體產生交替的情況，則需將單元定位為高階單元，以滿足控制截面的實際要求。

2.2初始截面的選取

在優化模型初始截面設計時，初始截面的大小比例以及初始截面形狀是需重點考慮的因素，在選擇截面大小時，需要做好截面覆蓋能力的設計，使其滿足實際需求。通常情況下，在設計時，通常將比較大的區域作為設計目標，以控制遺漏設計的情況發生。區域優化設計階段，當區域不大時，就會對優化產生的結構造成影響；當區域位置過大同樣會影響到實際的經濟效果；當在截面形狀選擇的階段中，要按照不同初始截面的單元進行合理的劃分。

應用平面應力單元對懸臂梁優化內容如圖1所示，其主要是由于初始截面取值不同，導致兩者的差異性很大，其表現具體為：優化后的支撐體系產生同樣的變化，且具備相似情況，但是由于支撐結構的角度不同兩者存在差異性，當梯形矩形截面得到優化后，產生的單元數量也不同。

2.3選擇控制截面

在設計階段，采用截面優化方式越多，則獲取的合理參數則愈多，這點論證在相關的橋梁工程結構中得到了有效的驗證。在設計時優越的控制截面越多，則產生的計算量則越大，耗費的精力時間越多，因此，在計算硬件上提出的要求也隨之增加。當橋梁構件自身的受力條件較為簡單時，設計時可以對結構中具備代表性的截面進行計算，如果選擇的是不利截面，則需要對其優化后，從客觀的角度進行分析其形狀；若橋梁結構體系受力程度比較復雜，那么進行截面優化時可以選擇多個截面進行優化，且相比不同截面的優化結果，選擇最優的控制截面。

在橋梁結構設計中，根據相關的設計經驗可知，初始設計截面的選擇可以以矩形橋梁截面為研究對象，對其進行優化設計，具體的優化思路如下：設計時主要是通過結構整體逐漸向著局部截面優化后在進入整體結構的優化過程，該操作環節主要是先將截面的有限元模型建立，而后進行全面分析；之后對控制截面進行選擇，全面分析它的性質，且在該基礎上，識別器有效、低效單元；另外，將截面上的低效單元和無效單元消除；最后，分析剩余的結構即可獲取優化后的內容。通過優化后的截面可知，拓撲優化截面其主要目的是對形狀進行優化，而最終的形式主要對結構全面的優化改善。

2.4最不利內力組合的類型

在設計梁支座截面時，考慮支座截面產生的不利負彎矩和不利剪力內容是非常重要的內容。這主要是最不利彎矩在進行支座截面設計時，其產生的斜截面會與實際的截面產生關系，故而從截面的不利因素進行分析，能夠提高支座截面的承載力。在梁跨中截面設計時，需要對不利正彎矩截面進行考慮。當荷載產生作用時，則需要分析支座截面和跨中截面產生的彎矩組合能力。而相較于橋梁上部結構，橋墩存在的不利內力相對復雜。在橋斷正截面設計過程中，其和截面的上彎矩產生的軸力有密切的聯系。因此，在較大荷載的影響下，若彎矩存在相等值時，配筋量會隨著軸力的變化而增加；當偏心受力條件較小時，配筋量同樣也會跟著軸力的變化而變化。因此，在設計過程中，考慮到施工方便或是減少施工過程產生的錯誤行為，在橋墩設計時需要控制鋼筋均勻對稱性，保證前兩組的不利內力組合能夠實現最大優化，以滿足實際的設計目標。

2.5設計區域及優化設計步驟

（1）設計區域。在設計過程中，相對于橋梁斷面而言，其頂底板與一些支撐體系采用的結構主要是混凝土結構方式。但是由于橋梁結構的腹板結構方式較多，因此，在選擇最佳的支撐方式時，可以通過截面拓撲優的方式對其選擇，因此，在優化模型建設時，需要做好幾何體的單元劃分控制，保證單元形式具備簡單化，這樣能夠有效的對迭代收斂的內容進行控制。另外，在設計時還可以按照鋼材料的特性，對混凝土的應用方式進行優化，確保模型的操作具備真實性。

（2）設計步驟。在橋梁控制截面優化設計過程中，拓撲優化設計和截面尺寸的優化，是控制截面工作非常重要的一項環節，在操作時主要是通過限元軟件分析矩形截面的內容，同時按照獲取的數據，做好頂底板和經濟支撐形狀的確定，同時，在設計階段，還需要結合設計的強度、剛度要求，嚴格控制矩形的內容，并且在確定相關數據的范圍內，對兩者的內容進行拓撲優化，最后，通過優化后將結果確定，且使其將作為選擇支撐桿件的選擇。

3.結束語

總而言之，在橋梁結構設計過程，控制控制截面的選擇是一個復雜的過程中，設計環節中當某一節點產生問題就會導致后續的施工發生措施。因此，在實踐過程中，需要采用漸進的優化計算方式結合建模，對控制截面選擇的內容進行計算，通過這樣的方式，能夠切實提高橋梁設計的質量，值得注意的是，在控制截面選擇的過程中，還需要加強控制截面選擇方法研究，要在總結分析現有的選擇方式上，不斷的學習創新，將新的截面選擇方法研究出來，從而給橋梁設計事業提供可靠的支持。

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