基于VB的大型橋樁設(shè)計(jì)

章建明

(杭州市交通設(shè)施建設(shè)處,浙江 杭州 310005)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,鐵路橋梁設(shè)計(jì)軟件正在向大規(guī)模、綜合化、可視化、智能化方向發(fā)展;同時(shí),由于橋梁工程中新結(jié)構(gòu)、新工藝的不斷出現(xiàn),軟件的更新?lián)Q代也明顯加快.目前,微機(jī)已成為功能強(qiáng)大的主流計(jì)算平臺(tái).

Visual Basic語言(簡稱“VB”)是應(yīng)用于 Windows環(huán)境下的一種可視化編程工具,能迅速有效地進(jìn)行交互界面設(shè)計(jì).利用Windows系統(tǒng)和Visual Basic語言強(qiáng)大的功能能夠開發(fā)出更利于用戶的操作界面,使得系統(tǒng)能夠在同一運(yùn)行平臺(tái)上完成從數(shù)據(jù)輸入到圖形輸出的全部功能,大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平.完成的系統(tǒng)界面友好、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)果可靠.利用Visual Basic對api函數(shù)的調(diào)用可以方便的操作運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)的其他軟件,完成更強(qiáng)大的操作.

本文正是在這個(gè)基礎(chǔ)上運(yùn)用VB來完成橋樁的設(shè)計(jì).

1 橋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)模型

1.1 樁基礎(chǔ)力學(xué)計(jì)算模型

當(dāng)橋梁墩臺(tái)樁基礎(chǔ)承臺(tái)底部截面形心處承受上部傳來的荷載 ∑N、∑M、∑Q時(shí),承臺(tái)和樁都將產(chǎn)生豎向位移、橫向位移和轉(zhuǎn)角.對于每根樁來說,在樁頂處有相應(yīng)的剪力Qi、軸向力Ni,彎矩Mi的作用(圖1),如果不考慮軸向力Ni所引起的對樁身任意截面的附加彎矩,每根樁的受力、位移可分解為圖1所示的受力模型進(jìn)行計(jì)算.

圖1中,樁頂處受軸力Ni作用,土層對樁周產(chǎn)生摩阻力,并對樁尖產(chǎn)生支撐阻力.圖1中,由于樁頂處剪力Qi,彎矩Mi的作用,樁身將產(chǎn)生撓曲變形,樁身各點(diǎn)將有橫向位移,因而土面以下的樁身承受土的被動(dòng)抗力σx(或者稱為彈性抗力).樁在Qi、Mi以及σx共同的作用下,樁身各截面都將承受彎矩和剪力.因此,可以把樁基礎(chǔ)中的每根樁看成是一個(gè)承受復(fù)雜分布規(guī)律的側(cè)向力σx的壓彎構(gòu)件[1].

1.2 樁基礎(chǔ)內(nèi)力和位移計(jì)算

樁基的內(nèi)力和位移計(jì)算是樁基力學(xué)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)和依據(jù),是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要組成部分.

1.3 單樁的受力分析

埋置于土中的樁受力后將產(chǎn)生豎向位移、側(cè)向位移和轉(zhuǎn)角,同時(shí)樁身承受軸向力、剪力和彎矩.樁的豎向位移將引起樁側(cè)土的摩阻力和樁底部的豎向土抗力;樁身的水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)將引起樁側(cè)土的水平抗力.因此,單樁受力后產(chǎn)生的內(nèi)力和變形,不僅與樁身剛度有關(guān),且與土的抗力大小有關(guān).

1.4 群樁基礎(chǔ)的平面分析

樁基的樁頂與承臺(tái)聯(lián)結(jié)成為整體,可以認(rèn)為樁頂嵌固于剛性承臺(tái)中,而樁的下部埋入土中,整個(gè)樁基可視為具有剛性承臺(tái)的剛架,對群樁樁基的計(jì)算實(shí)際是求解一個(gè)具有剛性承臺(tái)的空間剛架.在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員最常遇到的是具有一或兩個(gè)對稱面的,且外力作用于對稱面內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式,故可簡化為平面剛架來處理.根據(jù)整個(gè)特點(diǎn),可以使用位移法來求解.

2 橋樁基礎(chǔ)VB程序設(shè)計(jì)

2.1 程序結(jié)構(gòu)

本程序由三大部分組成:前處理部分、核心計(jì)算部分以及后處理部分,其具體組成結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 橋樁程序結(jié)構(gòu)

2.2 界面設(shè)計(jì)

VB只需程序設(shè)計(jì)者進(jìn)行一些簡單的操作,再加上少量的程序代碼就可以設(shè)計(jì)出滿意的界面,給人意想不到的驚喜.程序主界面如圖3,本軟件還大量使用了對話框.對話框是應(yīng)用程序與用戶交互的重要手段.在程序運(yùn)行過程中,對話框可用于捕捉用戶的輸入信息和數(shù)據(jù)(圖4).

2.3 前處理部分

在此部分將設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖所需的各種數(shù)據(jù)交互式輸入計(jì)算機(jī).

2.4 核心計(jì)算部分

計(jì)算部分是整個(gè)CAD系統(tǒng)的核心.本系統(tǒng)主要參照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],《公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]等來進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算,在結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算中采用樁基礎(chǔ)的空間計(jì)算模型[4]進(jìn)行計(jì)算.在這部分中主要包括了:樁基礎(chǔ)的空間分析、承臺(tái)位移計(jì)算、樁頂位移計(jì)算、單樁內(nèi)力和承載力分析等.

用戶點(diǎn)擊主程序的“開始設(shè)計(jì)”命令菜單后,系統(tǒng)開始讀入用戶輸入數(shù)據(jù),并依次進(jìn)行如下步驟計(jì)算:

1)計(jì)算各樁的剛度系數(shù)矩陣和旋轉(zhuǎn)變換矩陣;

2)計(jì)算樁基礎(chǔ)的整體剛度系數(shù)矩陣;

3)求解整體平衡方程,得出樁基礎(chǔ)的整體位移列陣;

4)計(jì)算各樁的樁頂位移列陣和樁頂力列陣;

5)搜索得出樁基礎(chǔ)中軸向力最大的樁并檢算其承載力,判斷是否滿足承載力要求,如果滿足可進(jìn)行下一步計(jì)算,如果不滿足,程序?qū)⒔Y(jié)束,并給出結(jié)束信息;

6)求解各樁身內(nèi)力;

7)轉(zhuǎn)入后處理程序,輸出相關(guān)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)入繪圖程序.

2.5 后處理部分

系統(tǒng)后處理主要包括結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)的顯示和輸出、施工圖的顯示和輸出.后處理的繪圖部分,將計(jì)算結(jié)果可視化,根據(jù)計(jì)算分析的數(shù)據(jù),利用軟件自有的數(shù)據(jù)顯示功能顯示,大大方便了用戶.當(dāng)顯示的結(jié)果達(dá)到用戶的滿意度后,程序可以生成與AUTOCAD的圖形文件接口的輸出模塊,方便用戶作進(jìn)一步的修改、編輯和打印.將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入 Excel顯示,并繪制相應(yīng)的表格.

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用VB進(jìn)行橋樁的設(shè)計(jì),加快了設(shè)計(jì)橋樁的速度,給出了一個(gè)簡潔易懂的可視化平臺(tái),提高了系統(tǒng)自動(dòng)化水平,為橋梁設(shè)計(jì)提供了一個(gè)簡捷可行的方法.

[1]王慧東,橋梁墩臺(tái)與基礎(chǔ)工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005:153-162.

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.TB10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]∥北京:中國鐵道出版社,2005.

[3]交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTJ024-85公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]∥北京:人民交通出版社,1998.

[4]張界明.樁基作為空間結(jié)構(gòu)的分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1987:265-271.