鋼筋混凝土公路簡(jiǎn)支T梁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

舒沖

（湖北省孝感市公路工程設(shè)計(jì)院 湖北孝感 432000）

鋼筋混凝土公路簡(jiǎn)支T梁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

舒沖

（湖北省孝感市公路工程設(shè)計(jì)院 湖北孝感 432000）

在進(jìn)行公路建設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證公路的使用功能和外觀效果，還應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)安全質(zhì)量的問(wèn)題，這也是公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。在公路建設(shè)工程中最常見(jiàn)簡(jiǎn)支T橋梁選取了截面有效高度以及受拉剛進(jìn)截面面積作為T(mén)梁的設(shè)計(jì)變量，將T梁的工程造價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)，并且將目前正在執(zhí)行的《公路橋規(guī)》作為實(shí)行的依據(jù)，提出了鋼筋混凝土T梁的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

鋼筋混凝土；T梁；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

在公路和鐵路的建設(shè)過(guò)程中，由于T梁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，以及其制作運(yùn)輸和后期的養(yǎng)護(hù)工作都很便利，T梁不僅維修方便，在建設(shè)過(guò)程中T梁的工程造價(jià)也較低。在國(guó)內(nèi)外的許多高速公路和客運(yùn)鐵路專(zhuān)線上有廣泛的應(yīng)用，在我們國(guó)家的秦沈客運(yùn)專(zhuān)線上，跨度為12m和16m的梁運(yùn)用的就是橋面板和橫隔板連接形成整體多片式的鋼筋混凝土T梁，在日本新干線采用的也是T梁結(jié)構(gòu)，日本新干線專(zhuān)線鐵路的跨度為20～40m橋面板和橫隔板連接形成整體多片式的鋼筋混凝土T梁，由此可見(jiàn)，在高速公路和客運(yùn)鐵路的前兩建設(shè)過(guò)程中，T梁的建設(shè)仍然占據(jù)著十分重要的地位，所以對(duì)T梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是目前當(dāng)務(wù)之急。

1 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)介

在橋梁建設(shè)過(guò)程中最常見(jiàn)的也是最常運(yùn)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是試算法，但是由于在進(jìn)行試算過(guò)程中，試算法往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的尺寸過(guò)大或者是由于配筋量過(guò)多等現(xiàn)象，從而會(huì)造成工程材料的浪費(fèi)，在后期會(huì)提高工程造價(jià)。近些年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)工作已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視，橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作主要考慮的就是怎樣用最低消費(fèi)來(lái)達(dá)到預(yù)期制定的規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)工程最大的價(jià)值，產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)是近些年來(lái)的新技術(shù)，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一次質(zhì)的飛躍，橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和其他傳統(tǒng)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)相比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在一定程度上降低工程造價(jià)的5～30%。設(shè)計(jì)變量就是鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷調(diào)整賦值設(shè)計(jì)變量的參數(shù)，在鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際的規(guī)定來(lái)確定設(shè)計(jì)變量的取值范圍。鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)的大小會(huì)隨著設(shè)計(jì)變量的變化而產(chǎn)生變化。

2 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括了橋梁的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量以及約束鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件。鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種具有多變量的并且也是存在多約束的優(yōu)化問(wèn)題，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁主要是將經(jīng)過(guò)研究確定下來(lái)的因素作為設(shè)計(jì)變量，并且還將滿足工程橋梁強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定型以及規(guī)范等相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)制造的要求作為T(mén)梁的約束條件和約束函數(shù)。模擬T梁建設(shè)需要達(dá)到如工程造價(jià)如何做到最低，T梁的重量最輕以及剛度的適中來(lái)作為目標(biāo)函數(shù)，最終將鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)抽象的轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究。

3 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的選定

3.1 簡(jiǎn)支T梁的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)

在對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常設(shè)計(jì)者都會(huì)把能夠產(chǎn)生主要影響作用的或者符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，再根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求等因素來(lái)進(jìn)行綜合性的考慮把滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的已知參數(shù)，已知參數(shù)可以在鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行擬定，這樣就可以大大的減小設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。

從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用力、受力以及結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等多種因素進(jìn)行綜合性考慮，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁截面的有效高度和縱向受拉鋼筋截面面積，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)中起著主要的影響作用，因此我們通常將鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁截面的有效高度和縱向的受拉鋼筋截面面積作為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量是鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的不斷調(diào)整賦值的設(shè)計(jì)變量的參數(shù)，在鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際的具體的規(guī)定來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的取值范圍的確定。

根據(jù)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁在最不利荷載的組合的作用下，將T梁的梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)的鋼筋混凝土使用的費(fèi)用和剛進(jìn)費(fèi)用的總和作為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的大小會(huì)隨著設(shè)計(jì)變量的變化而產(chǎn)生變化。

3.2 簡(jiǎn)支T梁的約束條件

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁約束條件是鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要滿足的條件變量，同時(shí)也是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁的強(qiáng)度的要求，T梁中性軸在翼緣板內(nèi)時(shí)（也被稱(chēng)為第一類(lèi)T形截面）可以采用截面為矩形的界面強(qiáng)度的公式來(lái)進(jìn)行試算T梁強(qiáng)度；當(dāng)中性軸在腹板內(nèi)時(shí)（第二類(lèi)T形的截面），為了防止簡(jiǎn)支T梁發(fā)生脆性破壞，就應(yīng)該滿足《公路橋規(guī)》的混凝土受壓區(qū)高度界限系數(shù)和縱向的受拉鋼筋最小配筋率和配筋率的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中為了防止簡(jiǎn)支T梁發(fā)生斜壓破壞，橋梁的截面尺寸就應(yīng)該滿足使用荷載引起的支點(diǎn)截面的最大計(jì)算剪力，普通的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁在短期的荷載作用力作用下最大的豎向擾度應(yīng)該滿足簡(jiǎn)支T梁計(jì)算跨徑，而在不同條件下的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁裂縫的最大寬度必須要保證在《公路橋規(guī)》規(guī)定的裂縫的允許值。

4 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

在某一個(gè)裝配式鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁的橋梁，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑是2m，該橋梁配有國(guó)家2級(jí)鋼筋混凝土8φ32X=R的焊接骨架，鋼筋混凝土的標(biāo)號(hào)為25號(hào)，橋梁的跨中截面承受彎矩：橋梁永久性荷載彎矩是833.3kN，最基本的可變荷載彎矩是910.9kN，支點(diǎn)剪力是580.8kN，另外鋼筋是78.5kN，混凝土為25kN/m3，混凝土單價(jià)是450元/m3，鋼筋價(jià)格為3000元/t，嘗試對(duì)該橋梁進(jìn)行鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

按照《公路橋規(guī)》的相關(guān)的規(guī)定，再綜合考慮橋梁的荷載安全系數(shù)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算主梁彎矩為2042kN，再對(duì)橋梁主梁的有效分布進(jìn)行計(jì)算后得到主梁有效分布寬度為170cm，對(duì)橋梁進(jìn)行鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)可以先采用第一類(lèi)的T形的截面計(jì)算得出截面的高度＞0.0708m，截面高度為0.125m，經(jīng)過(guò)相關(guān)的驗(yàn)算得出該橋梁截面確實(shí)屬于第一類(lèi)T形橋梁截面。再對(duì)約束條件進(jìn)行驗(yàn)算得出，實(shí)際設(shè)計(jì)的截面尺寸和鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)比較，實(shí)際設(shè)計(jì)截面高度較大，但是實(shí)際設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土使用量比優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)前鋼筋混凝土使用量要減少18%。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在公路和鐵路的建設(shè)過(guò)程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其具備的強(qiáng)度大、延性好、整體性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)也存在著自身重量大、抗裂性不好、性質(zhì)偏脆等缺點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)中除了以上問(wèn)題以外，還存在著諸多問(wèn)題，而且涉及范圍較廣。同時(shí)由于T梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性，以及其制作運(yùn)輸和后期的養(yǎng)護(hù)工作都很便利，T梁不僅維修方便在建設(shè)過(guò)程中T梁工程造價(jià)也較低，在國(guó)內(nèi)外的許多高速公路和客運(yùn)鐵路專(zhuān)線上廣泛應(yīng)用。由此可見(jiàn)，在高速公路和客運(yùn)鐵路的橋梁建設(shè)過(guò)程中，T梁建設(shè)仍然占據(jù)著十分重要的地位，T梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的研究也是十分有必要的。

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U443.32

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1004-7344（2016）26-0187-02

2016-8-25