鋼筋混凝土箱型橋梁斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

邵世斌

（青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，西寧810001）

1 引言

橋梁工程是我國交通運(yùn)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(shí)踐中，因橋梁設(shè)計(jì)較復(fù)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(shí)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(shè)計(jì)人員的肯定與使用。伴隨橋梁工程建設(shè)數(shù)目增加、規(guī)模拓展，與箱型橋梁斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的研究工作持續(xù)拓展。筆者在結(jié)合既往工程設(shè)計(jì)實(shí)踐及有關(guān)學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，對斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土及鋼材2種箱型梁。既有大量工程實(shí)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(yīng)力引起的主拉應(yīng)力。

3 箱型橋梁斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)問題分析

和常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更具優(yōu)越性、經(jīng)濟(jì)性。在優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，可供選擇的設(shè)計(jì)變量有數(shù)個(gè)。既有大量工程實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有益于強(qiáng)化計(jì)算過程的簡潔性，減縮時(shí)間，降低人力資源的耗用量，最終獲得效益更高的設(shè)計(jì)方案，為橋梁行業(yè)發(fā)展提供服務(wù)。但在具體優(yōu)化設(shè)計(jì)中還存在著如下幾點(diǎn)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(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)一定改變，進(jìn)而增加橋梁失穩(wěn)或破損等情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，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(dāng)箱型截面梁抗彎承載力不符合工程設(shè)計(jì)要求時(shí)，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(dāng)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(yīng)用，不同地質(zhì)條件對橋梁的設(shè)計(jì)提出的要求存在差異，因而在具體設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)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(fēng)性能，進(jìn)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(yùn)輸期間的舒適度提出的要求不斷提升，在優(yōu)化設(shè)計(jì)箱型橋梁斷面過程中，在考慮結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，還需積極站在形成舒適度的視角上來，建設(shè)并完善舒適度評級體系【2】。

4 箱型橋梁斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型

圖1為某工程項(xiàng)目的箱型橋梁的斷面圖，變量X1是頂板高程，X2、X3是對應(yīng)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(hù)設(shè)備寬度形成的影響，設(shè)定X6的最小值為3.5m【3】。

圖1 其鋼筋混凝土箱型橋梁斷面圖示

約束條件會(huì)對工程的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性等形成影響，進(jìn)而確保工程結(jié)構(gòu)能在任意工況下均能符合設(shè)計(jì)要求，減少或規(guī)避安全事故。本工程建設(shè)時(shí)選用的是鋼筋混凝土箱型橋梁，為滿足其安穩(wěn)運(yùn)行需求，應(yīng)對2項(xiàng)指標(biāo)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(yīng)的撓度允許值為20mm；而中跨尺寸是21m，撓度允許值是30mm。（2）應(yīng)力允許值：本工程選用的是C40混凝土，結(jié)合其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值，對箱型橋梁進(jìn)行ANSYS結(jié)構(gòu)分析后，計(jì)算出混凝土所承受的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力依次為19.1MPa、1.71MPa。并確立如下目標(biāo)函數(shù)【4】：

4.2 建立有限元模型

1）選擇計(jì)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(shè)計(jì)優(yōu)化期間應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS建立箱型橋梁模型并進(jìn)行線性計(jì)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2 500kg/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(diǎn)單元，有限元模型內(nèi)共計(jì)有45 056個(gè)節(jié)點(diǎn)，30 734個(gè)單元。如圖2是鋼筋箱型橋梁有限元模型【5】。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2 某鋼筋箱型橋梁有限元模型

1）對本箱型橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要是對箱型橋梁的6個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算，即采用二階技術(shù)生成設(shè)計(jì)空間內(nèi)極值點(diǎn)上的設(shè)計(jì)序列對應(yīng)指標(biāo)，在各個(gè)設(shè)計(jì)變量的2個(gè)極值位點(diǎn)上取值。對于整體評價(jià)而言，程序進(jìn)行2n次循環(huán)測算，其中，n為對應(yīng)的設(shè)計(jì)變量的數(shù)目。因?yàn)榇嬖?個(gè)設(shè)計(jì)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(jìn)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】。

表1 某橋梁截面優(yōu)化前后的尺寸比較統(tǒng)計(jì)

對表1中優(yōu)化前后檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(rèn)為，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的箱型橋梁不僅滿足了結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行要求橋梁體積有減小，也實(shí)現(xiàn)了協(xié)助施工單位降低工程造價(jià)的目標(biāo)。

2）應(yīng)力變形是不同工程下的優(yōu)化設(shè)計(jì)期間需重點(diǎn)分析的問題，本次是研究中針對重力、風(fēng)荷載及車輛荷載同時(shí)存在的優(yōu)化設(shè)計(jì)情況進(jìn)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(yīng)力有增加，但其增幅并不顯著，即應(yīng)力大小依然在相關(guān)規(guī)范限定區(qū)間內(nèi)，故而站在應(yīng)力視角分析，該優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xiàng)工作，對優(yōu)化前后的應(yīng)力及位移指標(biāo)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(yīng)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(shí)現(xiàn)對工程成本的有效控制，表明了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性，值得推廣。