橋梁懸臂預應力設計計算研究

摘? 要：本文研究了橋梁懸臂預應力設計計算自動化流程等內容，研究表明其自動化流程可分為箱梁斷面的坐標計算、鋼筋配置坐標計算、箱梁及鋼筋配置的3D模型建立、產生ABI預應力分析輸入檔、預應力分析后處理檢核作業及各節點剖面施工圖繪制等6項作業流程，以期為橋梁懸臂預應力設計提供參考。

關鍵詞：橋梁;懸臂;預應力;設計;計算

中圖分類號：U445? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）09-0000-00

1箱梁節塊的斷面計算

1.1 箱梁斷面型式

場鑄節塊懸臂工法的單孔箱梁斷面，其梁深隨著離墩柱的遠近，由淺至深，呈拋物線形變化;此間，翼板寬厚、腹板寬度皆為常數，僅有底板厚度隨箱梁深淺而有厚薄變化，亦即底板上緣及下緣為2條曲率相同的拋物線，橋面寬一般皆為等寬，僅在設置警車彎時，在局部路段放大橋面寬，或在上、下匣道與主線段交界處，采用局部路段的橋面寬漸變處理方式，引導車流駛入（駛離）主線段[1]。

1.2建立web-based application

計算及儲存箱梁斷面資料部份的斷面計算系放置于 ASP 網頁 Client 端計算，為計算箱梁斷面各折點的坐標，須設定參數，以期各節塊施作在節點上，計算其該節點的斷面大小、性質及坐標，其計算及儲存流程如下：

（1）先輸入該施工單元的斷面參數。

（2）再輸入各混凝土節塊的節點位于Z軸的坐標。

（3）先在Client端計算出漸變段各節點的梁深及底板厚度。

（4）使用者確認梁深及底板厚度無誤后，再進一步將前3項斷面參數、節點位置、梁深及底板厚度等資料傳至server端網頁，在server端計算斷面上各折點的3D坐標。

（5）將各節點斷面的3D坐標，儲存至Server端數據庫，并統一管理不同標案、不同單元計算的計算資料。

2鋼筋配置的坐標計算

2.1預應力鋼筋配置介紹

場鑄節塊懸臂工法的鋼筋配置分為頂板鋼筋及底板鋼筋。頂板鋼筋配置于箱型梁頂版（主鋼筋），當工作車于橋墩柱頭向外延伸施筑混凝土節塊時，頂板鋼筋為承施工中懸臂狀態下箱梁自重及工作車、鋼模等其他荷重。當橋梁完成后，其外加載重、活載重及溫度變化等作用力，亦由頂板鋼筋承擔[2]。

底版鋼筋（附加鋼筋）配置于端跨外側及中間跨梁中央底部的腹版或底版上，其作用為當橋梁閉合呈連續狀態時，承擔部分的梁體自重、活荷重，溫度變化及外加載重等。

現場施工時，需針對施工條件調整鋼筋位置，一般為固定工作車，于箱梁頂板設置預留孔，故頂板鋼筋X坐標需重新調整，并配合設計圖所訂的鋼筋座標，以每米為單位取一坐標值，供現場施工人員以調整并固定套管位置，將預應力鋼筋配置于正確位置。

2.2建立web-based application

本部份的3D鋼筋坐標計算系放置于ASP網頁Client端，其計算及儲存流程如下：

（1）使用者先輸入該施工單元的基本資料。

（2）再輸入ZY及XZ平面控制點數及依序輸入各控制點的（Z、Y）及（X、Z）坐標及線形（分為正曲率二次拋物線、負曲率二次拋物線或直線）。

（3）將該施工單元的基本資料、XY平面控制點數、XZ平面控制點數及各控制點坐標等資料傳至server端網頁，在server端計算該鋼筋上每單位長度的3D坐標。

（4）將每單位長度鋼筋的3D坐標，儲存至Server端數據庫，并統一管理不同標案、不同單元計算的計算資料。

3建立箱梁及鋼筋配置的3D模型

有關橋梁及鋼筋配置的3D模型建立流程可分成如下3部分：

（1）先由AutoCADVBA讀取各混凝土節塊的節點箱梁斷面數據庫，并將各混凝土箱梁斷面采用Polyline物件依里程位置繪制于AutoCAD3D模型空間，此時僅有各混凝土節點切面框線。

（2）因本研究需展示鋼筋配置3D模型，故將混凝土箱梁的混凝土實體部份挖空，故將箱梁外緣及內緣分別以3DFace物件的貼面方式表達其箱梁3D模型。

（3）再由AutoCADVBA讀取預應力鋼筋3D坐標數據庫，并將預應力鋼筋3D坐標轉換為AutoCAD3D模型空間的相對坐標，此時繪制預應力鋼筋以直徑8cm實體套管表示，以便于檢核鋼筋配置是否錯誤，其建立方式先產生鋼筋曲線路徑物件pline3DObj及每單位長度的面域物件regionObj，最后采用沿pline3DObj路徑及regionObj面域的擠出實體物件函式建立實體預應力鋼筋模型。

4產生ABI預應力分析輸入檔

4.1施工階段結構模型

橋梁上部結構的箱梁，依施工順序可分為懸臂延伸階段、中間跨閉合節塊施筑及邊跨閉合節塊施筑等三階段，預應力橋梁分析時，系將結構形式模擬成一平面構架系統，定義整體構架的節點（node）及桿件元素（element）。由于場鑄懸臂工法的上部結構縱向線形為漸變梁深，依據各節點斷面形心位置的分析模式確定其為拱型結構。另橋墩與上部結構采用剛接，溫度為主要的控制荷重，邊界條件以彈性基礎模擬[3]。

4.2 ABI預應力分析程序輸入檔建立流程

本節探討的自動ABI預應力分析輸入檔系是利用ExcelVBA巨集程序依序產生ABI輸入檔中各段落的文字檔，其建立流程如下：

（1）其中有關材料性質設定、Offset設定、工作車性質設定是系統固定值。

（2）另節點設置、斷面性質設定、桿件元素設置及鋼筋坐標設定等為段落輸入檔內容，是由讀取箱梁斷面及預應力鋼筋坐標等數據庫而產生。

（3）各施工階段作業排程使用Excel工作表安其施工步驟及各階段施工天數，再由ExcelVBA讀取Excel工作活頁資料產生此各段落的ABI輸入檔內容。

（4）最后有關輸出內容是在ABI輸入檔中用固定單字表示，如有輸出變位則以DISPLACE關鍵字表示、如要輸出預拱值則以CAMBER表示。

5 ABI預應力分析后處理檢核作業

預應力分析后處理計算成果。大致可分為混凝土應力檢核、預應力鋼筋有效預應力檢核、預拱值計算及前置量計算等內容，其均可由ExcelVBA整合開發環境撰寫巨集程序提取ABI預應力分析輸出檔資料，并將資料寫入Excel活頁的儲存格中，再據以作二次計算及檢核等工作，另預應力鋼筋3D坐標表系由ExcelVBA巨集程序直接讀取MSAccess預應力鋼筋3D坐標數據庫，寫入Excel活頁而產生的鋼筋坐標表。

6箱梁節塊剖面圖繪制

該繪制流程可分成3部分：

（1）先由AutoCADVBA讀取各箱梁節點斷面資料，并將各箱梁節點斷面繪制于AutoCAD2D模型空間。

（2）再讀取預應力鋼筋3D坐標數據庫，并篩選各箱梁斷面所在里程位置通過的預應力鋼筋，將其預應力鋼筋3D坐標轉換為AutoCAD模型空間的相對坐標繪制于所屬的箱梁斷面上。

（3）最后再將鋼筋間的相對位置予以標注尺寸。

自動繪制施工剖面圖可提升繪圖精度及速度，如有其他需調整出圖內容、出圖比例、標注垂直向尺寸、施工說明及套用圖框等工作，再輔以人工作業完成，由此可使施工圖內容趨于完善。

7總結

計算預應力梁時，首先考慮二個部分，一個是靜定結構下所產生的力矩以MoF表示，另一是施預應力所引起的靜不定力矩以M'F表示，故對連續梁施加預應力后產生的力矩可表示為MF=MoF+M'F。依據施工技術規范規定，預應力鋼筋的平均應力不得小于50%鋼筋最低極限拉力強度，預應力最大張應力不得大于80%鋼筋最低極限抗拉強度，預應力鋼筋在施預應力后固定于端錨的工作力預應力不得低于設計圖所規定值，且起始應力不得大于70%鋼筋最低極限拉力。

參考文獻

[1]張永亮，陳興沖，孫建飛.橋梁群樁基礎非線性靜力計算模型及擬靜力試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013（9）：1799-1806.

[2]程斌，錢沁，趙金城.桿端縮尺鋼桁架橋梁結構靜力計算與優化分析[J].中國鐵道科學，2011（5）：19-25.

[3]白琦成.鄭西線濕陷性黃土地區橋梁基樁負摩阻力計算探討[J].鐵道技術監督，2009（3）：31-34.

收稿日期：2020-07-15

作者簡介：唐發明（1985—），男，四川巴中人，本科，工程師，研究方向：橋梁設計。