淺談公路CAD上部結構設計與計算

摘 要:結合工程實際經驗利用公路CAD上部結構設計與計算進行了論證分析，為今后類似工程提供參考依據。

關鍵詞:公路工程 公路CAD 上部 結構 設計 計算

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0100-01

在實際工程設計中，簡支梁(板)橋作為一種常用橋型，在設計計算、構造要求、配筋布置等都有標準圖集和設計示例、設計手冊可資借鑒。但采用傳統的人工設計方法，設計人員仍需作大量的重復性工作，特別是由于路線線形、地形條件、道路等級、橫斷面形式等隨具體情況的不同，使設計中的橋梁跨徑、凈寬、斜交角度等設計參數，很難與標準圖集完全對應，不能直接套用標準圖進行設計。中小橋CAD系統的目的，就是借助于計算機自動完成常用簡支梁(板)橋的設計分析和施工圖的繪制。

1 公路橋梁上部結構設計

在簡支梁橋的設計中，通常是先根據使用要求，路線與地形相互關系(斜交角度、橋面坡度、橋梁跨徑等)以及當地的具體條件，參考《公路橋梁標準圖》及已建成的同類橋梁和一些經驗數據擬定上部構造的縱橫截面布置和各部分尺寸，然后根據作用在橋梁上的荷載，進行結構內力分析，求得各部分的最不利加載位置，得到設計內力，進而按照鋼筋混凝土或預應力混凝土截面設計原理估算鋼筋或預應力鋼束，最后進行強度、剛度和穩定性驗算，以檢驗預先擬定的截面尺寸和配筋是否符合要求。如果驗算不能滿足這些要求，則進行必要的修正，并重新計算，直至滿足設計要求為止。在每片主梁的橫向分布系數確定后，通過縱向加載求出每片梁各計算斷面的活載內力，從而求出最不利狀態下的活載內力;考慮到恒載內力，便可得到各控制截面的設計內力;根據設計內力配置受力鋼筋(或預應力鋼筋)及驗算截面各部分應力的截面設計;最后進行滿足諸如最小配筋率、保護層厚度、最小凈距、錨固形式及長度、彎鉤及彎折等要求及簡支梁端部鋼筋的布置的構造設計。

2 公路橋梁上部結構的內力計算

(1)恒載內力計算:預應力梁橋施工和使用的不同階段，可將恒載分為兩種:一期恒載主要是指自重恒載;二期恒載是指現澆橋面鋪裝、人行道、欄桿等后期荷載。這樣劃分，使計算的結構內力更接近于實際情況，使設計更加安全、經濟。

(2)橫向分布影響線、橫向彎矩影響線及荷載橫向分布計算。梁橋是由承重結構的主梁及傳力結構橫梁及橋面板兩大部分組成，各片主梁依靠橫梁和橋面板聯成空間整體結構。由于結構的空間整體性，當橋上作用荷載時，各片主梁將共同參與工作，形成了各片主梁之間的內力分布。求橫向分布系數就是計算各片主梁之間內力分布的一種簡化方法。目前常用的荷載橫向分布計算實用方法有:杠桿原理法，偏心壓力法，橫向鉸接板法，橫向剛接梁法和比擬正交異性板法等。這些實用的近似計算方法所具有的共同特點是從分析荷載在橋上的橫向分布出發，求得各梁的荷載橫向分布影響線，從而通過橫向最不利布載來計算荷載橫向分布系數。求得單片主梁上的最大荷載就能按熟知的方法求得主梁的活載內力。這是因為每片主梁分布的內力的大小隨橋梁橫截面的構造形式、荷載的類型以及荷載在橫向作用位置不同而不同，這種特性實際上是梁橋遵循于空間結構力學規律的表現。這種橫向分布系數處理的實質是把復雜的空間問題轉化為平面問題，從而可根據平面桿系結構的分析手段去分析最不利的位移和內力。這種方法簡便實用，對正交簡支梁式橋的內力計算有足夠的精度。對于裝配式簡支梁橋支點橫向分布的計算，因為主梁作用在支點上，一般沒有豎直位移，因此可以認為是橋面板簡支在主梁上或橋面板擱在橫梁上，橫梁簡支在主梁上。這樣，就可以由簡支板(梁)的靜力平衡條件來求得當荷載P作用在橋面板上時的主梁反力R，主梁所受的支承反力之和則為該主梁所受荷載值。為了求得主梁在橫向分配到的最大荷載，先應求得各片主梁的荷載橫向影響線，主梁的橫向影響線在支點時按杠桿分配原理求取，即簡支分布。有了各片主梁的荷載橫向影響線，就可以根據不同活載等級在橋梁橫向作最不利布載，求得各片主梁的荷載橫向分布系數。

(3)橫梁的彎矩和剪力計算:采用偏壓法進行橫梁的彎矩和剪力計算，首先將橫梁近似地視作豎向支承在多根彈性主梁上的多跨彈性支承連續梁，鑒于各主梁的荷載橫向分布影響線在主梁計算中已經求得，故這根橫隔梁可以簡單地用靜力平衡條件來求解，利用各主梁荷載橫向分布影響線求出橫隔梁計算截面的彎矩與剪力影響線，分別按最不利情況布載，可求得該截面最大彎矩和剪力。

(4)縱向加載求活載內力:求出了每片主梁的橫向分布系數之后，就可以縱向加載來求得每片主梁各計算斷面的活載內力。因為簡支梁的縱向影響線可以用一個簡單的解析式表達出來，很容易確定活載的最不利位置，進而求出最不利狀態下的活載內力。

(5)內力組合及配束計算:根據恒載內力和活載內力按不同的荷載組合求出組合內力，再根據恒載內力和組合內力進行初步估算預應力鋼筋的截面積，從而求出主梁預應力鋼束數。計算主梁的預應力鋼束數，預應力混凝土梁應滿足彈性階段的應力要求和塑性階段的強度要求。

3 橋梁結構配筋驗算

預應力簡支梁橋的設計根據規范的要求在截面配束之后應當進行截面強度驗算、預應力損失驗算和混凝土應力驗算等幾項主要驗算。另外還要進行錨下局部承壓驗算和撓度及鋼束應力驗算。

(1)鋼束布置及主梁截面特性計算鋼束布置可根據設計人員的意圖，按圓弧配束情況計算各根鋼束在每個計算截面處的位置及鋼束的重心位置，并計算出每根鋼束從跨中開始每隔l米處到梁底緣的距離，供施工時預應力鋼束定位用。主梁截面特性計算，分別計算凈截面、換算截面的特性，并計算截面重心處及上板肋及下馬蹄處的截面靜矩，以進行正應力和主應力的計算。

(2)截面強度驗算:截面強度驗算是根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》按極限狀態驗算正截面強度。

(3)預應力損失計算:預應力混凝土簡支梁橋應考慮預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦，錨具變形、鋼筋回縮損失以及混凝土彈性壓縮等因素引起的預應力鋼筋的應力松馳損失和混凝土的收縮徐變損失等。

4 橋梁橫梁及橋面板計算

(1)橫梁計算:橫梁計算是根據內力計算模塊計算得到的中橫梁彎矩和剪力，按照一片鋼筋混凝土受彎構件進行配筋計算和截面強度驗算。

(2)橋面受力分析:由于橋面板與主梁的梁肋和橫隔梁整體相連，橋面板(行車道板)的受力比較復雜，但因為一般主梁的間距與橫隔梁的間距相比要小得多，故可按單向板進行簡化計算。對于主梁之間為干接縫的情況，可按懸臂板計算，計算出懸臂板根部負彎矩作為設計彎矩;橋面板配筋根據上面的橋面受力分析，求得橋面板配筋的設計彎矩，橋面板按受彎構件配筋，根據設計彎矩求得配筋面積和鋼筋直徑，輸出到繪圖數據文件中作為輸入數據。

5 結語

橋梁工程中設計與計算本著優化設計的原則，充分利用計算機輔助設計的優勝，以達到拋磚引玉的效果。

參考文獻

[1]林平.結合實例談建筑轉換梁結構設計[J].建材與裝飾:上旬.市場營銷，2010(8):85～87.