橋梁懸臂預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算研究

摘? 要：本文研究了橋梁懸臂預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算自動(dòng)化流程等內(nèi)容，研究表明其自動(dòng)化流程可分為箱梁斷面的坐標(biāo)計(jì)算、鋼筋配置坐標(biāo)計(jì)算、箱梁及鋼筋配置的3D模型建立、產(chǎn)生ABI預(yù)應(yīng)力分析輸入檔、預(yù)應(yīng)力分析后處理檢核作業(yè)及各節(jié)點(diǎn)剖面施工圖繪制等6項(xiàng)作業(yè)流程，以期為橋梁懸臂預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁;懸臂;預(yù)應(yīng)力;設(shè)計(jì);計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U445? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）09-0000-00

1箱梁節(jié)塊的斷面計(jì)算

1.1 箱梁斷面型式

場(chǎng)鑄節(jié)塊懸臂工法的單孔箱梁斷面，其梁深隨著離墩柱的遠(yuǎn)近，由淺至深，呈拋物線(xiàn)形變化;此間，翼板寬厚、腹板寬度皆為常數(shù)，僅有底板厚度隨箱梁深淺而有厚薄變化，亦即底板上緣及下緣為2條曲率相同的拋物線(xiàn)，橋面寬一般皆為等寬，僅在設(shè)置警車(chē)彎時(shí)，在局部路段放大橋面寬，或在上、下匣道與主線(xiàn)段交界處，采用局部路段的橋面寬漸變處理方式，引導(dǎo)車(chē)流駛?cè)耄傠x）主線(xiàn)段[1]。

1.2建立web-based application

計(jì)算及儲(chǔ)存箱梁斷面資料部份的斷面計(jì)算系放置于 ASP 網(wǎng)頁(yè) Client 端計(jì)算，為計(jì)算箱梁斷面各折點(diǎn)的坐標(biāo)，須設(shè)定參數(shù)，以期各節(jié)塊施作在節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算其該節(jié)點(diǎn)的斷面大小、性質(zhì)及坐標(biāo)，其計(jì)算及儲(chǔ)存流程如下：

（1）先輸入該施工單元的斷面參數(shù)。

（2）再輸入各混凝土節(jié)塊的節(jié)點(diǎn)位于Z軸的坐標(biāo)。

（3）先在Client端計(jì)算出漸變段各節(jié)點(diǎn)的梁深及底板厚度。

（4）使用者確認(rèn)梁深及底板厚度無(wú)誤后，再進(jìn)一步將前3項(xiàng)斷面參數(shù)、節(jié)點(diǎn)位置、梁深及底板厚度等資料傳至server端網(wǎng)頁(yè)，在server端計(jì)算斷面上各折點(diǎn)的3D坐標(biāo)。

（5）將各節(jié)點(diǎn)斷面的3D坐標(biāo)，儲(chǔ)存至Server端數(shù)據(jù)庫(kù)，并統(tǒng)一管理不同標(biāo)案、不同單元計(jì)算的計(jì)算資料。

2鋼筋配置的坐標(biāo)計(jì)算

2.1預(yù)應(yīng)力鋼筋配置介紹

場(chǎng)鑄節(jié)塊懸臂工法的鋼筋配置分為頂板鋼筋及底板鋼筋。頂板鋼筋配置于箱型梁頂版（主鋼筋），當(dāng)工作車(chē)于橋墩柱頭向外延伸施筑混凝土節(jié)塊時(shí)，頂板鋼筋為承施工中懸臂狀態(tài)下箱梁自重及工作車(chē)、鋼模等其他荷重。當(dāng)橋梁完成后，其外加載重、活載重及溫度變化等作用力，亦由頂板鋼筋承擔(dān)[2]。

底版鋼筋（附加鋼筋）配置于端跨外側(cè)及中間跨梁中央底部的腹版或底版上，其作用為當(dāng)橋梁閉合呈連續(xù)狀態(tài)時(shí)，承擔(dān)部分的梁體自重、活荷重，溫度變化及外加載重等。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，需針對(duì)施工條件調(diào)整鋼筋位置，一般為固定工作車(chē)，于箱梁頂板設(shè)置預(yù)留孔，故頂板鋼筋X坐標(biāo)需重新調(diào)整，并配合設(shè)計(jì)圖所訂的鋼筋座標(biāo)，以每米為單位取一坐標(biāo)值，供現(xiàn)場(chǎng)施工人員以調(diào)整并固定套管位置，將預(yù)應(yīng)力鋼筋配置于正確位置。

2.2建立web-based application

本部份的3D鋼筋坐標(biāo)計(jì)算系放置于ASP網(wǎng)頁(yè)Client端，其計(jì)算及儲(chǔ)存流程如下：

（1）使用者先輸入該施工單元的基本資料。

（2）再輸入ZY及XZ平面控制點(diǎn)數(shù)及依序輸入各控制點(diǎn)的（Z、Y）及（X、Z）坐標(biāo)及線(xiàn)形（分為正曲率二次拋物線(xiàn)、負(fù)曲率二次拋物線(xiàn)或直線(xiàn)）。

（3）將該施工單元的基本資料、XY平面控制點(diǎn)數(shù)、XZ平面控制點(diǎn)數(shù)及各控制點(diǎn)坐標(biāo)等資料傳至server端網(wǎng)頁(yè)，在server端計(jì)算該鋼筋上每單位長(zhǎng)度的3D坐標(biāo)。

（4）將每單位長(zhǎng)度鋼筋的3D坐標(biāo)，儲(chǔ)存至Server端數(shù)據(jù)庫(kù)，并統(tǒng)一管理不同標(biāo)案、不同單元計(jì)算的計(jì)算資料。

3建立箱梁及鋼筋配置的3D模型

有關(guān)橋梁及鋼筋配置的3D模型建立流程可分成如下3部分：

（1）先由AutoCADVBA讀取各混凝土節(jié)塊的節(jié)點(diǎn)箱梁斷面數(shù)據(jù)庫(kù)，并將各混凝土箱梁斷面采用Polyline物件依里程位置繪制于AutoCAD3D模型空間，此時(shí)僅有各混凝土節(jié)點(diǎn)切面框線(xiàn)。

（2）因本研究需展示鋼筋配置3D模型，故將混凝土箱梁的混凝土實(shí)體部份挖空，故將箱梁外緣及內(nèi)緣分別以3DFace物件的貼面方式表達(dá)其箱梁3D模型。

（3）再由AutoCADVBA讀取預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為AutoCAD3D模型空間的相對(duì)坐標(biāo)，此時(shí)繪制預(yù)應(yīng)力鋼筋以直徑8cm實(shí)體套管表示，以便于檢核鋼筋配置是否錯(cuò)誤，其建立方式先產(chǎn)生鋼筋曲線(xiàn)路徑物件pline3DObj及每單位長(zhǎng)度的面域物件regionObj，最后采用沿pline3DObj路徑及regionObj面域的擠出實(shí)體物件函式建立實(shí)體預(yù)應(yīng)力鋼筋模型。

4產(chǎn)生ABI預(yù)應(yīng)力分析輸入檔

4.1施工階段結(jié)構(gòu)模型

橋梁上部結(jié)構(gòu)的箱梁，依施工順序可分為懸臂延伸階段、中間跨閉合節(jié)塊施筑及邊跨閉合節(jié)塊施筑等三階段，預(yù)應(yīng)力橋梁分析時(shí)，系將結(jié)構(gòu)形式模擬成一平面構(gòu)架系統(tǒng)，定義整體構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)（node）及桿件元素（element）。由于場(chǎng)鑄懸臂工法的上部結(jié)構(gòu)縱向線(xiàn)形為漸變梁深，依據(jù)各節(jié)點(diǎn)斷面形心位置的分析模式確定其為拱型結(jié)構(gòu)。另橋墩與上部結(jié)構(gòu)采用剛接，溫度為主要的控制荷重，邊界條件以彈性基礎(chǔ)模擬[3]。

4.2 ABI預(yù)應(yīng)力分析程序輸入檔建立流程

本節(jié)探討的自動(dòng)ABI預(yù)應(yīng)力分析輸入檔系是利用ExcelVBA巨集程序依序產(chǎn)生ABI輸入檔中各段落的文字檔，其建立流程如下：

（1）其中有關(guān)材料性質(zhì)設(shè)定、Offset設(shè)定、工作車(chē)性質(zhì)設(shè)定是系統(tǒng)固定值。

（2）另節(jié)點(diǎn)設(shè)置、斷面性質(zhì)設(shè)定、桿件元素設(shè)置及鋼筋坐標(biāo)設(shè)定等為段落輸入檔內(nèi)容，是由讀取箱梁斷面及預(yù)應(yīng)力鋼筋坐標(biāo)等數(shù)據(jù)庫(kù)而產(chǎn)生。

（3）各施工階段作業(yè)排程使用Excel工作表安其施工步驟及各階段施工天數(shù)，再由ExcelVBA讀取Excel工作活頁(yè)資料產(chǎn)生此各段落的ABI輸入檔內(nèi)容。

（4）最后有關(guān)輸出內(nèi)容是在ABI輸入檔中用固定單字表示，如有輸出變位則以DISPLACE關(guān)鍵字表示、如要輸出預(yù)拱值則以CAMBER表示。

5 ABI預(yù)應(yīng)力分析后處理檢核作業(yè)

預(yù)應(yīng)力分析后處理計(jì)算成果。大致可分為混凝土應(yīng)力檢核、預(yù)應(yīng)力鋼筋有效預(yù)應(yīng)力檢核、預(yù)拱值計(jì)算及前置量計(jì)算等內(nèi)容，其均可由ExcelVBA整合開(kāi)發(fā)環(huán)境撰寫(xiě)巨集程序提取ABI預(yù)應(yīng)力分析輸出檔資料，并將資料寫(xiě)入Excel活頁(yè)的儲(chǔ)存格中，再據(jù)以作二次計(jì)算及檢核等工作，另預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)表系由ExcelVBA巨集程序直接讀取MSAccess預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，寫(xiě)入Excel活頁(yè)而產(chǎn)生的鋼筋坐標(biāo)表。

6箱梁節(jié)塊剖面圖繪制

該繪制流程可分成3部分：

（1）先由AutoCADVBA讀取各箱梁節(jié)點(diǎn)斷面資料，并將各箱梁節(jié)點(diǎn)斷面繪制于AutoCAD2D模型空間。

（2）再讀取預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，并篩選各箱梁斷面所在里程位置通過(guò)的預(yù)應(yīng)力鋼筋，將其預(yù)應(yīng)力鋼筋3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為AutoCAD模型空間的相對(duì)坐標(biāo)繪制于所屬的箱梁斷面上。

（3）最后再將鋼筋間的相對(duì)位置予以標(biāo)注尺寸。

自動(dòng)繪制施工剖面圖可提升繪圖精度及速度，如有其他需調(diào)整出圖內(nèi)容、出圖比例、標(biāo)注垂直向尺寸、施工說(shuō)明及套用圖框等工作，再輔以人工作業(yè)完成，由此可使施工圖內(nèi)容趨于完善。

7總結(jié)

計(jì)算預(yù)應(yīng)力梁時(shí)，首先考慮二個(gè)部分，一個(gè)是靜定結(jié)構(gòu)下所產(chǎn)生的力矩以MoF表示，另一是施預(yù)應(yīng)力所引起的靜不定力矩以M'F表示，故對(duì)連續(xù)梁施加預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生的力矩可表示為MF=MoF+M'F。依據(jù)施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定，預(yù)應(yīng)力鋼筋的平均應(yīng)力不得小于50%鋼筋最低極限拉力強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力最大張應(yīng)力不得大于80%鋼筋最低極限抗拉強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力鋼筋在施預(yù)應(yīng)力后固定于端錨的工作力預(yù)應(yīng)力不得低于設(shè)計(jì)圖所規(guī)定值，且起始應(yīng)力不得大于70%鋼筋最低極限拉力。

參考文獻(xiàn)

[1]張永亮，陳興沖，孫建飛.橋梁群樁基礎(chǔ)非線(xiàn)性靜力計(jì)算模型及擬靜力試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（9）：1799-1806.

[2]程斌，錢(qián)沁，趙金城.桿端縮尺鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算與優(yōu)化分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2011（5）：19-25.

[3]白琦成.鄭西線(xiàn)濕陷性黃土地區(qū)橋梁基樁負(fù)摩阻力計(jì)算探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009（3）：31-34.

收稿日期：2020-07-15

作者簡(jiǎn)介：唐發(fā)明（1985—），男，四川巴中人，本科，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。