懸臂澆筑預應力混凝土連續梁設計研究

李井輝

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

采用懸臂澆筑施工的大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋適用于陸域不中斷橋下交通的情況下跨越既有線路及構造物、山區跨越河流深谷、內河或海域跨越航道等場合；隨著我國橋梁技術的飛速發展，采用懸臂澆筑施工的大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋的設計、施工技術越來越成熟，該橋型已經成為我國橋梁建設廣泛應用的橋型之一。

懸臂澆筑施工預應力混凝土連續箱梁橋上部箱梁設計主要包含：預應力鋼束合理配置、鋼束施工圖繪制、主梁節段鋼筋圖繪制等。對于大跨徑懸澆梁，合理的配置預應力鋼束需要對上百根鋼束反復調整試算，計算工作量大；接下來的鋼束圖、鋼筋圖繪制要面對上百根呈空間曲線狀的鋼束、十幾個懸澆節段，也是一項繁重的勞動。如何能夠使設計人員從繁重的計算繪圖工作中解脫出來、提高工作效率、保證設計質量，顯得尤為重要；本文以六枝至安龍高速公路上跨徑60 m+110 m+60 m的石糯尾大橋為例介紹一套適用的懸澆梁計算及自動繪圖方法。

1 預應力混凝土懸澆箱梁設計流程

懸臂澆筑施工預應力混凝土連續箱梁橋設計流程圖如圖1所示。

圖1 石糯尾大橋設計流程圖

2 主梁幾何尺寸擬定、建模及配置鋼束

2.1 主梁幾何尺寸擬定及參數化建模

懸澆梁幾何尺寸包括：縱橋向主梁幾何尺寸、橫橋向截面細部尺寸；縱橋向主梁幾何尺寸包括：邊跨與中跨比值、跨中截面高跨比、支點截面高跨比、合攏段長度、曲線變高段線形等；橫橋向截面細部尺寸包括：腹板間距、頂板厚度、底板厚度、腹板厚度、懸臂板厚度、承托尺寸等。本橋設計開展初期，首先搜集已建類似跨徑的橋梁資料，對其幾何尺寸進行統計對比分析，并結合設計規范來擬定本橋幾何尺寸，表1列出了設計初期本橋擬定的幾項幾何尺寸。

表1 懸澆梁幾何構造尺寸擬定表

接下來利用有限元分析軟件“橋梁博士”提供的參數化建模功能，把擬定的懸澆梁幾何尺寸輸入到有限元計算軟件中。參數化建模與傳統的截面差值建模方法相比優勢在于：建模速度快、可以適應截面尺寸的任何改動；截面尺寸后期調整時僅需修改參數數值即可，不需要對單元進行逐個修改，特別適用于計算模型的反復微調，如：“主梁梁高變化曲線由2次拋物線調為1.8次拋物線、腹板變厚段調整等”。

2.2 懸澆箱梁優化配置鋼束

在進行懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋設計時，預應力鋼束配置是否合理直接影響橋梁結構受力及使用性能，但合理地布置預應力鋼束需要對鋼束進行反復調整試算，計算工作量大，且需要設計者有較豐富的設計經驗；為此可以將數學優化方法應用于懸澆梁配束上，利用AutoCAD二次開發工具包Object ARX編制出優化配置鋼束程序來解決傳統配束計算方法的不足。

優化配束程序以預加力為優化對象、選擇單元左右截面應力限值作為約束條件、全橋鋼束用量作為目標函數建立數學優化模型進行全橋鋼束用量最小的優化計算。程序模塊由四部分組成：前處理數據模塊、平面桿系有限元計算模塊、線性規劃求解模塊、交互處理結果數據模塊。程序在計算鋼束用量時可以考慮非線性溫差自應力及預應力鋼束次內力的影響，彌補了商業計算軟件在計算鋼束用量時無法考慮非線性溫差自應力及預應力鋼束次內力影響的不足。下面以石糯尾大橋為例，介紹下優化配束過程。

(1)利用橋梁博士軟件建立懸澆梁計算模型并生成腳本文件。

(2)運行Auto cad，執行命令gsyh，輸入控制應力：最小拉應力1.0 MPa、最大壓應力13.5 MPa；主梁鋼束根數優化結果見圖2；將鋼束優化等代內力結果文件qiaobo.txt中的內力結果復制到橋梁博士腳本文件中，計算并查看計算結果，如圖3～圖4。從應力圖形可以看出，優化出的結果非常合理。

圖3 優化結果(短期組合最小拉應力)

圖4 優化結果(短暫狀況最大壓應力)

(3)根據優化出的各截面鋼束根數，布置懸澆頂板束、邊跨頂底板合龍束、中跨頂底板合龍束；將鋼束文件以DXF格式保存并導入橋梁博士軟件中執行驗算。

至此，調束流程結束，基本上一次就滿足驗算要求，稍加幾次調整就可達到非常滿意的應力效果。

3 懸澆箱梁鋼束圖、鋼筋圖繪制

現行商業繪圖軟件不足之處。

(1)繪圖軟件與計算軟件不關聯，計算軟件中已經存在的“箱梁構造信息、鋼束數據信息等”無法被利用，繪圖軟件需要將其重新輸入，存在大量重復工作。

(2)預應力鋼束線形為復雜的空間曲線，繪圖時需要輸入龐大的鋼束數據信息，工作量并未減少。

(3)本院積累多年的設計經驗、設計習慣等在商業軟件中無法反映，后期需要對繪制的圖紙進行大量修改。

為此以Auto CAD為平臺，利用CAD二次開發工具包Object ARX編制了懸澆梁繪圖模塊，本模塊可以利用計算模型中主梁幾何尺寸、鋼束豎彎等數據信息，減少大量重復工作；模塊內封裝了我院的設計經驗，結合CAD平臺下的鋼束平彎信息，即可自動生成滿足我院要求的工程圖紙。繪圖過程如下：

(1)在Auto cad命令行輸入gsht，啟動繪圖模塊，如圖5。

圖5 鋼束繪制模塊圖

(2)點擊“斷面鋼束信息”布置斷面鋼束，如圖6；點擊“生成平彎信息”，在CAD中繪出鋼束平彎圖形。

圖6 鋼束斷面布置

(3)“檢查鋼束起始點”可以檢查鋼束平彎圖形起始點與橋梁博士軟件中的豎彎起始點是否一致，如一致，點擊“繪制施工圖紙”完成鋼束圖、鋼筋圖繪圖。

4 結 論

本文介紹的預應力混凝土懸澆梁優化配束及繪圖程序有如下特點。

(1)編制的優化配束程序計算出的預加力優化結果非常合理，利用優化出的鋼束結果可以很方便的配置出懸澆梁鋼束；

(2)編制的繪圖模塊封裝了本單位的設計習慣，通過讀取有限元計算模型中的數據信息、結合AutoCAD中繪出的鋼束平彎圖形信息，可以繪制出鋼束、鋼筋圖紙，過程簡潔、靈活、合理，更符合本單位的出圖習慣。