基于模擬手算技術(shù)的鋼管樁承載力自動(dòng)化計(jì)算研究

胡幫義，戴維江，鄭家根

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.核工業(yè)湖州勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 前言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在高速公路及高速鐵路所占比重較大，對(duì)橋梁施工技術(shù)提出了越來越高的要求[1]。支架現(xiàn)澆法仍然是橋梁現(xiàn)澆施工廣泛采用的施工方法[2]，貝雷梁+鋼管樁支架具有施工方便、施工場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行橋梁施工方案評(píng)審時(shí)，一般甲方要求施工單位提供支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書。因此，編制計(jì)算書是一項(xiàng)非常重要的工作。

在編制結(jié)構(gòu)計(jì)算書研究方面，國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者進(jìn)行了大量研究。白鳳軍[3]采用perl語(yǔ)言結(jié)合Latex文字排版系統(tǒng)開發(fā)了鋼筋混凝土工具箱來生成計(jì)算書，趙宇瑤等[4]研究了利用MathCAD軟件進(jìn)行擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，謝騰飛等[5]也利用該軟件編制平面鋼閘門設(shè)計(jì)計(jì)算書，嚴(yán)佳偉[6]則實(shí)現(xiàn)了水流滲流改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算書的編寫，朱佳文等[7]研發(fā)了一種基于PDA的艦船計(jì)算書自動(dòng)生成技術(shù)，朱恒[8]研究了HTML5技術(shù)在計(jì)算書生成中的應(yīng)用，梁施銘等[9]以基于C#語(yǔ)言編程自開發(fā)AutoCR軟件來生成計(jì)算書。以上方法的實(shí)現(xiàn)普遍需要借助其他編程軟件來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較復(fù)雜，不利于路橋施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員使用。目前路橋施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員編制word計(jì)算書普遍還是采用手動(dòng)編制，部分借助Excel軟件編制公式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，word文檔再手動(dòng)整理，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。部分技術(shù)人員借助PKPM或理正巖土等軟件來生成計(jì)算書，但普遍不是Word格式，計(jì)算書可讀性不強(qiáng)，而且普遍沒有計(jì)算公式過程，導(dǎo)致計(jì)算書可讀性不強(qiáng)。

為了實(shí)現(xiàn)施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算書的快速編制，本文利用模擬手算技術(shù)，借助Delphi開發(fā)平臺(tái)，通過編程實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)計(jì)算的自動(dòng)化，并自動(dòng)生成帶計(jì)算過程的word計(jì)算書，極大地提高了工作效率，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑可為類似結(jié)構(gòu)計(jì)算書的生成提供方法上的參考。

1 模擬手算技術(shù)思想

模擬手算技術(shù)[10]的基本思想是利用計(jì)算機(jī)軟件來模擬人工計(jì)算的過程，模擬人工查表獲取參數(shù)，模擬人工進(jìn)行公式計(jì)算，模擬人工書寫計(jì)算過程并將結(jié)果錄入Word，得到的Word計(jì)算書和手工編制的Word計(jì)算書具有殊途同歸的效果。當(dāng)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，只需要在軟件界面輸入相關(guān)參數(shù)，便可得到具有完整計(jì)算過程的Word計(jì)算書，整個(gè)計(jì)算過程全部交給計(jì)算機(jī)，計(jì)算完全自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化計(jì)算的目標(biāo)，達(dá)到了模擬手算的效果。

模擬手算技術(shù)思想的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 模擬手算技術(shù)思想實(shí)現(xiàn)流程

2 鋼管樁單樁豎向承載力計(jì)算

鋼管樁在施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)中經(jīng)常作為豎向受力構(gòu)件使用，我們常常需要知道單根鋼管樁的最大承載力為多少。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）5.3.7的規(guī)定，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算：

式中：

qsik——樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）

u——鋼管樁周長(zhǎng)（m）

qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）

li——鋼管樁穿入每層土的厚度(m)

λp——樁端土塞效應(yīng)系數(shù)

hb——樁端進(jìn)入持力層深度（m）

d——鋼管樁外徑（m）

Ap——鋼管樁全截面面積（m2）

因此，要進(jìn)行鋼管樁的自動(dòng)化驗(yàn)算，我們就要實(shí)現(xiàn)相關(guān)基本參數(shù)的手動(dòng)輸入，實(shí)現(xiàn)間接參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)代入數(shù)值的自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)結(jié)果自動(dòng)輸出到word等基本功能要求。

3 鋼管樁承載力自動(dòng)化計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

3.1 基本參數(shù)的手動(dòng)輸入

采用Delphi開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)程序界面，在界面中添加標(biāo)簽和文本框等控件，標(biāo)簽用來說明功能，文本框?qū)崿F(xiàn)基本參數(shù)的輸入。基本參數(shù)主要有：qsik、qpk、li、hb和d等。

3.2 間接參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算

3.3 代入數(shù)值的自動(dòng)計(jì)算并錄入word

要實(shí)現(xiàn)代入數(shù)值的自動(dòng)計(jì)算，需要利用Delphi鏈接Word，利用Word程序的接口函數(shù)來對(duì)Word進(jìn)行操縱。比如在Word中輸入文字，輸出公式、繪制表格等，利用前面已經(jīng)獲得的基本參數(shù)和計(jì)算出的間接參數(shù)，可以通過寫代碼實(shí)現(xiàn)邊計(jì)算邊輸出到Word的功能。實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的主要核心代碼如下所示。

編制的程序界面如圖2所示。

圖2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算的程序界面

輸入相關(guān)參數(shù)，并勾選相關(guān)選項(xiàng)，即可自動(dòng)生成鋼管樁承載力Word計(jì)算書，非常簡(jiǎn)單高效。

4 工程應(yīng)用案例

某橋梁施工用鋼棧橋采用貝雷梁+鋼管樁的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過計(jì)算得到鋼管樁承受的最大軸力為985.2kN。鋼管樁總長(zhǎng)8m，截面形式為φ630mm×10mm，入土深度為5m，采用敞口樁形式，鋼管樁位置地質(zhì)情況如圖3所示，請(qǐng)計(jì)算該鋼管樁是否滿足單樁豎向承載力要求。

圖3 鋼管樁位置地質(zhì)鉆孔柱狀圖

由圖3可知，該鋼管樁共穿越3層土，第1層土質(zhì)為素填土，樁側(cè)土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為30kPa，該土層厚為0.7m；第2層土質(zhì)為粉砂，樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為25kPa，該土層厚為1.3m；第3層土質(zhì)為圓礫，樁側(cè)極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為100kPa，該土層厚為3m。

在程序界面輸入相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

圖4 程序界面輸入相關(guān)參數(shù)

單擊“單樁豎向極限承載力計(jì)算”按鈕，即可得到Word計(jì)算書，如圖5所示

圖5 程序自動(dòng)生成的Word計(jì)算書

由上可見，整個(gè)計(jì)算過程完全是自動(dòng)化的，可謂一鍵生成Word計(jì)算書，自動(dòng)生成的計(jì)算書和手算的計(jì)算書一模一樣，實(shí)現(xiàn)了模擬手算的效果。根據(jù)計(jì)算書可知該鋼管樁豎向極限承載力為2349.13kN。單樁豎向承載力特征值：

因此，該鋼管樁滿足單樁豎向承載力要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于模擬手算技術(shù)思想，利用Delphi開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了鋼管樁單樁豎向承載力自動(dòng)化計(jì)算軟件，可以得出以下結(jié)論：

①模擬手算技術(shù)思想理念先進(jìn)、切實(shí)可行，對(duì)于解決結(jié)構(gòu)計(jì)算手算的問題，具有方便、快捷、高效的特點(diǎn)，一次寫代碼即可實(shí)現(xiàn)所有類似問題的快速化求解；

②基于Delphi鏈接Word的技術(shù)為模擬手算技術(shù)思想的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)，利用Word豐富的接口函數(shù)，為生成豐富多彩的結(jié)構(gòu)計(jì)算書帶來了巨大的方便；

③本文所述基于模擬手算技術(shù)的自動(dòng)化計(jì)算方法途徑，可為類似結(jié)構(gòu)的快速化計(jì)算提供方法參考。