道路橋梁設(shè)計中的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

趙玉寶

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

0 引言

廣州市新建道路跨線橋，橋長96m，寬度23.2m，設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，跨梁組合為3×30m，采用現(xiàn)場分層澆筑施工方法，上部結(jié)構(gòu)采用3×30m 連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用蓋梁接墩柱接樁基礎(chǔ)，橋臺采用蓋梁接樁基輕型橋臺，樁基尺寸為φ1.3m×24m，共計布置20 根樁。設(shè)計人員根據(jù)《公路橋梁設(shè)計規(guī)范》文件中的要求，為確保整體橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)建立BIM 模型，采取結(jié)構(gòu)化設(shè)計的方法，具體橋梁結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 道路橋梁結(jié)構(gòu)

1 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計要點

1.1 基本流程

采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，建立橋梁整體結(jié)構(gòu)模型，基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計的基本流程，設(shè)計人員將整個設(shè)計過程分為3 個步驟。第一步，設(shè)計人員基于橋梁項目要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化設(shè)計，根據(jù)各個橋梁工程階段的目標(biāo)，進(jìn)行模型單元的劃分處理，將整個工程項目分解為若干個單元，實現(xiàn)離散化模型向結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)化，確保整體結(jié)構(gòu)的受力特性。結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)化后，整個橋梁呈現(xiàn)出自由的形態(tài)。第二步為橋梁結(jié)構(gòu)的受力條件分析，根據(jù)橋梁荷載要求，確保結(jié)構(gòu)材料參數(shù)能夠滿足實際要求。第三步通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)道路橋梁具體方案的設(shè)計設(shè)定，簡化方案要求[1]。具體道路橋梁項目設(shè)計結(jié)構(gòu)受力條件分析如表1 所示。

表1 道路橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)受力條件分析

基于上述要求，采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法建立模型，將若干單元匯聚成為一個結(jié)構(gòu)整體。在具體結(jié)構(gòu)化設(shè)計系統(tǒng)的分析和應(yīng)用過程中，按照系統(tǒng)的操作模式、操作方法，評審和細(xì)化數(shù)據(jù)流圖，并判斷數(shù)據(jù)流圖的屬性，隨后進(jìn)行設(shè)計結(jié)構(gòu)上層模塊和下層模塊的構(gòu)建，最終進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，系統(tǒng)可分為3 個層級，具體結(jié)構(gòu)化設(shè)計操作流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)操作流程

1.2 結(jié)構(gòu)化計算模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)化設(shè)計按照流程，首先，進(jìn)行離散化結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，將整個橋梁結(jié)構(gòu)分為若干個單元，確保每個單元結(jié)構(gòu)的自由度，建立道路橋梁的結(jié)構(gòu)框架模型。獨立單元具備一定的自由度，將其轉(zhuǎn)化為有限特性后，進(jìn)行過程分解，按照路徑進(jìn)行離散化模型的構(gòu)建。其次，完成離散化結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)行模型化結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在模型化結(jié)構(gòu)過程中，考慮橋梁結(jié)構(gòu)中不同材料、不同連接處、連接方法的作用機制，根據(jù)整體橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律，建立框架體系，該過程主要對細(xì)節(jié)進(jìn)行把握和控制。在完成離散化模型結(jié)構(gòu)向模型化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化之后，輸入設(shè)計方案中所期望使用的原材料，保持原材料輸入過程中處于理想狀態(tài)，隨后進(jìn)行有限態(tài)勢單元結(jié)構(gòu)指標(biāo)的建立，進(jìn)行橋梁的實際荷載模擬分析[2]。數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)具備強大的數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)分析功能，能夠使得輸入數(shù)據(jù)流的結(jié)果與映射模型結(jié)果相契合，計算材料、連接方式、結(jié)構(gòu)形式之間的關(guān)系，同時計算整個橋梁模型框架的實際受力情況，進(jìn)行最佳計算模型的構(gòu)建。

1.3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計模型求解

在輸入相關(guān)參數(shù)，提取橋梁結(jié)構(gòu)單元模塊信息之后，使用圖解法進(jìn)行道路橋梁各結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)控制，繪制曲線圖。圖解法能夠識別結(jié)構(gòu)框架的多樣性特征，通過對各單元結(jié)構(gòu)中橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)變量的擬定，確定具體的坐標(biāo)數(shù)值，繪制曲線圖。根據(jù)曲線圖，設(shè)計人員識別橋梁上側(cè)位置和下側(cè)位置邊緣區(qū)，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行繪制，保持等值線內(nèi)數(shù)值的穩(wěn)定，函數(shù)計算結(jié)果超出的等線值則保持相切的狀態(tài)。在本項目中，橋梁結(jié)構(gòu)斷層面模型求解使用圖解法，橋面板需要具備一定的荷載力，且橋板之間相互連接，在圖形中構(gòu)成雙層節(jié)點。橋梁連續(xù)梁單孔結(jié)構(gòu)的重量為1500kN，材料加載期齡為3d，上層結(jié)構(gòu)厚度為20cm，下層臺身高度為6m、墩高6.4m，將整個結(jié)構(gòu)分為46 個單元，對其進(jìn)行圖解計算。

按照相關(guān)步驟對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到橋梁結(jié)構(gòu)中目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化參數(shù)，取得函數(shù)計算結(jié)果中的極值、最大值、最小值，將其應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化設(shè)計之中。道路橋梁在結(jié)構(gòu)化模型求解過程中，為確保各參數(shù)數(shù)據(jù)的可調(diào)整性，使得結(jié)構(gòu)方案趨于最合理，采用同態(tài)設(shè)計方案，即在同一狀態(tài)下進(jìn)行對等設(shè)計，將設(shè)計空間縮減，使得結(jié)構(gòu)受力分析、荷載分析的最終結(jié)果能夠滿足要求，計算效率有所提升。

2 道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計實際應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)化防水設(shè)計

結(jié)構(gòu)化設(shè)計在道路橋梁中的應(yīng)用主要基于BIM 模型實現(xiàn)，為結(jié)構(gòu)化防水設(shè)計提供更全面、準(zhǔn)確和協(xié)調(diào)的設(shè)計方法。使用三維軟件建立橋梁的三維BIM 模型，將結(jié)構(gòu)要素分為若干個單元，其中包括橋墩、橋梁臺座、支承、墩身等。隨后，模擬橋梁的實際情況，計算橋梁結(jié)構(gòu)的實際防水需要，考慮天氣降雨、排水系統(tǒng)、防滲措施等對防水性能產(chǎn)生的影響。基于模型的計算結(jié)果，選擇應(yīng)用防水涂層進(jìn)行設(shè)計。同時，在結(jié)構(gòu)化設(shè)計過程中，模擬水流路徑和雨水流向，設(shè)計結(jié)構(gòu)中的集水點和排水系統(tǒng)的位置和參數(shù)。最后，根據(jù)地形和水流情況，通過模擬水流對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，檢查防水層的可行性及安全性。在此過程中，基于BIM 模型的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)建三維可視化模擬，幫助設(shè)計團(tuán)隊和利益相關(guān)方更好地理解和評估防水設(shè)計方案[3]。此外，可將模型與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，以便在所有設(shè)計階段進(jìn)行一致的信息更新和修改。因此，在結(jié)構(gòu)化防水設(shè)計過程中，按照流程，技術(shù)人員通過建立模型、導(dǎo)入數(shù)據(jù)、設(shè)計需求、模擬情況、計算水力條件、模擬沖擊效應(yīng)，進(jìn)行各單元位置結(jié)構(gòu)的設(shè)置，采取科學(xué)、有效的防水設(shè)計方案，使得橋梁整體結(jié)構(gòu)的防水性能良好，具體結(jié)構(gòu)化防水設(shè)計如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)化防水設(shè)計

2.2 混凝土工程結(jié)構(gòu)化設(shè)計

在道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計期間，主要使用的材料為鋼筋混凝土，僅將混凝土單元作為模型構(gòu)建的節(jié)點，依據(jù)混凝土防滲裂、荷載等要求，進(jìn)行保護(hù)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以合理的保護(hù)層厚度，確保混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，為其進(jìn)行構(gòu)造配筋設(shè)置。在本次工程中，保護(hù)層應(yīng)用鋼筋混凝土材料，具體鋼筋綁扎如圖4 所示。

圖4 鋼筋綁扎結(jié)構(gòu)

在模型中，根據(jù)橋梁各單元結(jié)構(gòu)所處位置和用途，確定并計算各種載荷，其中包括交通荷載、溫度荷載、地震荷載等，以確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足荷載的要求。根據(jù)預(yù)設(shè)方案的鋼筋和混凝土材料，模擬φ10 的鋼筋和C35 質(zhì)量等級混凝土的實際應(yīng)用，確定其強度參數(shù)和材料性質(zhì)可以滿足荷載要求。在整個橋梁工程結(jié)構(gòu)化的設(shè)計中，依據(jù)模型，結(jié)合承受的正常力和彎矩，在滿足極限狀態(tài)和使用狀態(tài)的前提下，調(diào)整并選取合適的截面形狀和尺寸。同時，在鋼筋結(jié)構(gòu)布置上，承受力學(xué)要求和構(gòu)造限制，在混凝土截面內(nèi)選擇合適的鋼筋直徑、數(shù)量和布置方式，以提供足夠的抗彎、抗剪和抗扭剛度[4]。在結(jié)構(gòu)連接方式上，設(shè)計伸縮縫、膨脹節(jié)等，采用撓性連接方式，確保各結(jié)構(gòu)混凝土材料連接的穩(wěn)定性，具體伸縮縫如圖5 所示。

圖5 橋梁伸縮縫

鋼筋混凝土工程涉及道路橋梁工程的各個單元，每個單元的鋼筋布設(shè)方法、單元結(jié)構(gòu)尺寸、單元結(jié)構(gòu)材料使用量等均在結(jié)構(gòu)模型之中明確。設(shè)計人員根據(jù)輸出的模型結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的應(yīng)用，設(shè)計人員為避免在工程后續(xù)投入使用出現(xiàn)耐久性問題，產(chǎn)生相應(yīng)的病害，根據(jù)橋梁所處的環(huán)境，橋梁結(jié)構(gòu)工程的耐久性設(shè)計。具體耐久性要求標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計耐久性標(biāo)準(zhǔn)

在模型中使用函數(shù)進(jìn)行各參數(shù)的計算，進(jìn)行混凝土工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，確定工程技術(shù)參數(shù)條件。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，本項目設(shè)計橋梁處于常溫地區(qū)，設(shè)計水灰比為0.5、水泥用量為318kg，強度等級為C35，含堿量為2.8%，氯離子含量為0.17%，使得混凝土的耐久性能夠滿足道路橋梁結(jié)構(gòu)長期承載的要求。且設(shè)計過程中為了避免出現(xiàn)開裂問題，在設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行橋梁單元結(jié)構(gòu)的抗裂性能分析，最大程度減少開裂問題的產(chǎn)生，增強構(gòu)造的配筋數(shù)量。

2.3 道路橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量設(shè)計

道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計能夠使得整體橋梁結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能、抗風(fēng)性能、防崩性能。基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計模型輸出方案，設(shè)計人員進(jìn)行抗震等級、防震烈度等級的明確，確保橋梁的抗震設(shè)防烈度滿足Ⅷ度的要求，合理設(shè)置橋墩與蓋梁之間的距離，使得橋梁的跨徑在150m 以下。風(fēng)荷載計算則依據(jù)阻力、升力、升力矩要求，輸入環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，具體計算公式如式（1）所示。

式中：Fv——升力；p——空氣密度；U——風(fēng)速；Cr——升力系數(shù)；B——橋梁寬度。

基于上述公式計算后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計量最大風(fēng)力狀態(tài)下橋梁是否可以滿足實際要求，隨后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，確保其質(zhì)量良好[5]。防崩結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對重點區(qū)域的連接和固定情況進(jìn)行計算，確定拉力、應(yīng)力滿足要求后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)防崩性能良好。

2.4 BSA 運行分析

在道路橋梁結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，主要應(yīng)用BSA 系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，錄入和計算各單元結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。設(shè)計人員可以將確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，或者將不確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步顯示，自動計算結(jié)構(gòu)參數(shù)。運行期間，可借助平臺的“后處理”功能，生成道路橋梁的內(nèi)力圖，直觀顯示結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中各單元結(jié)構(gòu)節(jié)點的受力分布情況以及受力分布狀態(tài)。包絡(luò)圖也可以計算活載和恒載狀態(tài)下的應(yīng)力分布，生成應(yīng)力分布模型，進(jìn)行單元數(shù)據(jù)的計算，直觀了解橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，抓住工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和要點。

3 結(jié)語

采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法能夠起到優(yōu)化道路橋梁工程參數(shù)的作用，通過結(jié)構(gòu)化模型的構(gòu)建，將其應(yīng)用到具體的防水設(shè)計、混凝土參數(shù)設(shè)計、結(jié)構(gòu)質(zhì)量設(shè)計過程中，實現(xiàn)各參數(shù)的優(yōu)化，確保了工程項目建設(shè)的可行性，同時提高了道路橋梁的質(zhì)量，使得其能夠滿足《道路橋梁設(shè)計規(guī)范》的要求。同時，結(jié)構(gòu)化設(shè)計在解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難題中，得到有效運用使結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。