鋼筋混凝土箱型橋梁斷面優化設計要點分析

邵世斌

（青海省交通規劃設計研究院有限公司，西寧810001）

1 引言

橋梁工程是我國交通運輸體系的重要構成，其質量關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量，人們對橋梁工程施工環審的質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水平要求較高，橋梁工程跨度持續拓展。既有工程實踐表明【1】，箱型橋梁斷面在施工便捷性、優化質量及結構合理性等諸多方面占據優勢，得到了諸多設計人員的肯定與使用。伴隨橋梁工程建設數目增加、規模拓展，與箱型橋梁斷面優化設計相關的研究工作持續拓展。筆者在結合既往工程設計實踐及有關學者研究成果的基礎上，對斷面優化設計方案予以研究。

2 鋼筋混凝土箱型橋梁斷面

在建筑行業內，箱型梁主要是指斷面與常規箱體相同的技術類型，主要用于橋梁工程施工領域。箱型梁構成以蓋板、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構施工為主。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構的彎曲、扭曲剪應力引起的主拉應力。

3 箱型橋梁斷面優化設計相關問題分析

和常規的結構設計相比較，結構優化設計更具優越性、經濟性。在優化設計期間，可供選擇的設計變量有數個。既有大量工程實踐表明，結構優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，為橋梁行業發展提供服務。但在具體優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一定改變，進而增加橋梁失穩或破損等情況發生的風險，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避，外加梁體的整體荷載偏大，因而以上問題很易出現。

3.4 安全問題

當下，箱型橋梁在不同規模橋梁施工領域中均有較廣泛應用，不同地質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，在優化設計箱型橋梁斷面過程中，在考慮結構安全性的基礎上，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 箱型橋梁斷面優化設計

4.1 建立數學優化模型

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。依照相關規范規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】。

圖1 其鋼筋混凝土箱型橋梁斷面圖示

約束條件會對工程的應力、變形及穩定性等形成影響，進而確保工程結構能在任意工況下均能符合設計要求，減少或規避安全事故。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，結合其強度標準值、設計值，對箱型橋梁進行ANSYS結構分析后，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【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：設計優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2 500kg/m3。

3）生成三維網格：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節點單元，有限元模型內共計有45 056個節點，30 734個單元。如圖2是鋼筋箱型橋梁有限元模型【5】。

4.3 計算結果分析

圖2 某鋼筋箱型橋梁有限元模型

1）對本箱型橋梁優化設計過程中，主要是對箱型橋梁的6個設計變量予以優化，分別是X1、X2、X3、X4、X5、X6，利用ANSYS內的乘子法予以計算，即采用二階技術生成設計空間內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次循環測算，其中，n為對應的設計變量的數目。因為存在6個設計變量，故而乘子法內的n=6，等同于結構分析期間需進行62次循環，64次迭代。經64次迭代測算后，就能獲得最優解，優化前后的尺寸比較情況見表1【6】。

表1 某橋梁截面優化前后的尺寸比較統計

對表1中優化前后檢測到的數據進行分析后發現，經優化設計處理后，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，經優化設計的箱型橋梁不僅滿足了結構安全運行要求橋梁體積有減小，也實現了協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化設計情況進行分析，檢測到優化前第一、三助理及惟一大小依次為5.36MPa、-9.57MPa、9.107mm、優化后依次為6.19MPa、-9.88MPa、10.85mm。盡管優化后結構應力有增加，但其增幅并不顯著，即應力大小依然在相關規范限定區間內，故而站在應力視角分析，該優化設計方案具有較高可行性。

5 結語

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