鋼筋混凝土箱型橋梁斷面優(yōu)化設計要點

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【摘要】傳統(tǒng)經(jīng)驗式設計法在鋼筋混凝土箱型橋梁斷面設計領(lǐng)域中有較廣泛應用，但優(yōu)化效果欠佳，難以從設計層面上為橋梁建筑行業(yè)的發(fā)展提供支持。論文在概述箱型橋梁斷面優(yōu)勢的基礎上，探究以往情況優(yōu)化設計中的不足，并以具體工程案例對相關(guān)優(yōu)化設計方法予以研究，希望有益于提升設計工作效率，優(yōu)化設計效果，協(xié)助施工單位降低橋梁工程建設成本，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土箱型橋梁；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設計研究

1引言

橋梁工程是我國交通運輸體系的重要構(gòu)成，其質(zhì)量關(guān)系著人們出行的安全性和舒適度。近些年，為了確保橋梁整體質(zhì)量，人們對橋梁工程施工環(huán)審的質(zhì)量提出的要求不斷提升。在具體實踐中，因橋梁設計較復雜且對施工技術(shù)水平要求較高，橋梁工程跨度持續(xù)拓展。既有工程實踐表明【1】，箱型橋梁斷面在施工便捷性、優(yōu)化質(zhì)量及結(jié)構(gòu)合理性等諸多方面占據(jù)優(yōu)勢，得到了諸多設計人員的肯定與使用。伴隨橋梁工程建設數(shù)目增加、規(guī)模拓展，與箱型橋梁斷面優(yōu)化設計相關(guān)的研究工作持續(xù)拓展。筆者在結(jié)合既往工程設計實踐及有關(guān)學者研究成果的基礎上，對斷面優(yōu)化設計方案予以研究。

2鋼筋混凝土箱型橋梁斷面

在建筑行業(yè)內(nèi)，箱型梁主要是指斷面與常規(guī)箱體相同的技術(shù)類型，主要用于橋梁工程施工領(lǐng)域。箱型梁構(gòu)成以蓋板、腹板、底板及隔板為主，用途以滿足大跨度建設的需求或承重結(jié)構(gòu)施工為主。依照材料的差異性，可以把箱型梁分為預應力鋼筋混凝土及鋼材2種箱型梁。既有大量工程實踐表明，箱形截面持有較好的抗彎與抗扭屬性，提供抗彎能力的構(gòu)件以箱型截面的頂板與底板為主，箱梁腹板的作用以承載由結(jié)構(gòu)的彎曲、扭曲剪應力引起的主拉應力。

3箱型橋梁斷面優(yōu)化設計相關(guān)問題分析

和常規(guī)的結(jié)構(gòu)設計相比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計更具優(yōu)越性、經(jīng)濟性。在優(yōu)化設計期間，可供選擇的設計變量有數(shù)個。既有大量工程實踐表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計有益于強化計算過程的簡潔性，減縮時間，降低人力資源的耗用量，最終獲得效益更高的設計方案，為橋梁行業(yè)發(fā)展提供服務。但在具體優(yōu)化設計中還存在著如下幾點問題。

3.1抗剪力滯后問題

具體是指于橋梁墻體上開框洞以后的橫梁變形，促使柱中正應力呈拋物線狀分布。剪力滯后的直接后果是橋梁腹板與翼板交接位置撓度與應力出現(xiàn)一定改變，進而增加橋梁失穩(wěn)或破損等情況發(fā)生的風險，是形成安全問題的誘因。3.2抗彎剛度問題抗彎承載力與梁高平方之間呈正相關(guān)性，所以當箱型截面梁抗彎承載力不符合工程設計要求時，可通過增加梁體高程的形式來提高梁的抗彎承載力。

3.3抗扭剛度問題

箱型截面梁因無需規(guī)劃橫隔板，故而箱梁抗扭剛度大幅度降低的情況難以完全規(guī)避，外加梁體的整體荷載偏大，因而以上問題很易出現(xiàn)。

3.4安全問題

當下，箱型橋梁在不同規(guī)模橋梁施工領(lǐng)域中均有較廣泛應用，不同地質(zhì)條件對橋梁的設計提出的要求存在差異，因而在具體設計實踐中應考慮到箱型截面梁的安全性問題，要求其具備一定抗震、抗風性能，進而確保橋梁上車輛行駛過程的安全性。

3.5舒適度問題

現(xiàn)代群體對交通運輸期間的舒適度提出的要求不斷提升，在優(yōu)化設計箱型橋梁斷面過程中，在考慮結(jié)構(gòu)安全性的基礎上，還需積極站在形成舒適度的視角上來，建設并完善舒適度評級體系【2】。

4箱型橋梁斷面優(yōu)化設計

4.1建立數(shù)學優(yōu)化模型

圖1為某工程項目的箱型橋梁的斷面圖，變量X1是頂板高程，X2、X3是對應的依次梁端部最小箱型截面的腹板高程、底板厚度，X4、X5分別是橋梁中部最大箱型截面的腹板高程、底板厚度，X6為箱型截面底面寬，X1~X5的初始值依次為22cm、13cm、20cm、53cm、40cm。依照相關(guān)規(guī)范規(guī)定的車道寬度最小值，考慮道路維護設備寬度形成的影響，設定X6的最小值為3.5m【3】。約束條件會對工程的應力、變形及穩(wěn)定性等形成影響，進而確保工程結(jié)構(gòu)能在任意工況下均能符合設計要求，減少或規(guī)避安全事故。本工程建設時選用的是鋼筋混凝土箱型橋梁，為滿足其安穩(wěn)運行需求，應對2項指標做出限制：（1）豎向撓度：本箱型橋梁具體跨度為16m+21m+16m，其中，邊跨尺寸為16m，經(jīng)測算其對應的撓度允許值為20mm；而中跨尺寸是21m，撓度允許值是30mm。（2）應力允許值：本工程選用的是C40混凝土，結(jié)合其強度標準值、設計值，對箱型橋梁進行ANSYS結(jié)構(gòu)分析后，計算出混凝土所承受的最大壓應力、拉應力依次為19.1MPa、1.71MPa。并確立如下目標函數(shù)【4】：

4.2建立有限元模型

1）選擇計算范圍：本文研究期間把橋梁體積減半處理，等同于采用16m的邊跨，中跨21m的一半建立有限元模。2）確定模型材料參數(shù)：設計優(yōu)化期間應用有限元分析軟件ANSYS建立箱型橋梁模型并進行線性計算分析。梁體采用C40混凝土，其彈性模量為43.25MPa±10MPa，泊松比是0.3，密度為2500kg/m3。3）生成三維網(wǎng)格：針對本工程使用的混凝土材料，選用solid65單元予以模擬。該單位屬于四邊形8節(jié)點單元，有限元模型內(nèi)共計有45056個節(jié)點，30734個單元。如圖2是鋼筋箱型橋梁有限元模型【5】。

4.3計算結(jié)果分析

1）對本箱型橋梁優(yōu)化設計過程中，主要是對箱型橋梁的6個設計變量予以優(yōu)化，分別是X1、X2、X3、X4、X5、X6，利用ANSYS內(nèi)的乘子法予以計算，即采用二階技術(shù)生成設計空間內(nèi)極值點上的設計序列對應指標，在各個設計變量的2個極值位點上取值。對于整體評價而言，程序進行2n次循環(huán)測算，其中，n為對應的設計變量的數(shù)目。因為存在6個設計變量，故而乘子法內(nèi)的n=6，等同于結(jié)構(gòu)分析期間需進行62次循環(huán)，64次迭代。經(jīng)64次迭代測算后，就能獲得最優(yōu)解，優(yōu)化前后的尺寸比較情況見表1【6】。對表1中優(yōu)化前后檢測到的數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化設計處理后，橋梁體積減少了10.41%，材料用方量減少51.450m3。綜合分析后認為，經(jīng)優(yōu)化設計的箱型橋梁不僅滿足了結(jié)構(gòu)安全運行要求橋梁體積有減小，也實現(xiàn)了協(xié)助施工單位降低工程造價的目標。2）應力變形是不同工程下的優(yōu)化設計期間需重點分析的問題，本次是研究中針對重力、風荷載及車輛荷載同時存在的優(yōu)化設計情況進行分析，檢測到優(yōu)化前第一、三助理及惟一大小依次為5.36MPa、-9.57MPa、9.107mm、優(yōu)化后依次為6.19MPa、-9.88MPa、10.85mm。盡管優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應力有增加，但其增幅并不顯著，即應力大小依然在相關(guān)規(guī)范限定區(qū)間內(nèi)，故而站在應力視角分析，該優(yōu)化設計方案具有較高可行性。

5結(jié)語

在對鋼筋混凝土箱型橋梁優(yōu)化設計期間，本文采用ANSYS有限元分析軟件，通過調(diào)整箱梁截面的構(gòu)件尺寸開展該項工作，對優(yōu)化前后的應力及位移指標予以測算分析，并對比分析優(yōu)化前后的結(jié)果。結(jié)果表明，雖然橋梁結(jié)構(gòu)應力略有增加，但其依然符合相關(guān)規(guī)范要求，并且經(jīng)優(yōu)化后的橋梁整體體積見效，實現(xiàn)對工程成本的有效控制，表明了該優(yōu)化設計方案的可行性，值得推廣。

【參考文獻】

【1】葛耀君,趙林,許坤.大跨橋梁主梁渦激振動研究進展與思考[J].中國公路學報,2019,32(10):1-18.

【2】孫家偉,劉小飛.高速公路路基、橋梁與隧道銜接過渡方案探討[J].廣東公路交通,2019,45(4):85-89.

【3】姜保宋,周志勇,閆康健,等.典型箱梁下腹板傾角對橋梁靜風穩(wěn)定性能的影響[J].同濟大學學報(自然科學版),2019,47(8):1106-1114.

【4】夏飛龍,王林凱,劉志文,等.識別橋梁斷面顫振臨界風速的一種新方法[J].公路,2019,64(8):59-65.

【5】常柱剛,王林凱,夏飛龍.基于CVNewmark-β法的橋梁風致振動FSI數(shù)值模擬[J].公路交通科技,2018,35(8):55-63.

【6】姜保宋,周志勇,閆康健,等.典型箱梁下腹板傾角對橋梁靜風穩(wěn)定性能的影響[J].同濟大學學報(自然科學版),2019,47(8):1106-1114.

作者：邵世斌 單位：青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司