橋梁設(shè)計(jì)過程中控制截面選取分析

李永忠 戴文彬

摘要：文章以控制截面選擇方法為研究對象，對橋梁設(shè)計(jì)過程控制截面選擇的方式進(jìn)行總結(jié)分析，分別從模型選擇、初始截面的選取、選擇控制截面以及不利內(nèi)力組合類型選擇方式，詳細(xì)闡述橋梁設(shè)計(jì)控制截面選擇方法，同時(shí)對設(shè)計(jì)區(qū)域及優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施步驟進(jìn)行研究，實(shí)踐可知，在橋梁設(shè)計(jì)過程中，針對不同位置的選擇不同的控制截面，可有效提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)；截面控制；選擇方法；分析

0.引言

容許應(yīng)力法以及極限狀態(tài)法是橋梁設(shè)計(jì)過程常用的設(shè)計(jì)方法，容許應(yīng)力法在設(shè)計(jì)過程中的主要目的是對荷載產(chǎn)生的應(yīng)力和橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的極限應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)踐過程中若荷載產(chǎn)生的應(yīng)力比極限應(yīng)力小，則表示橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。一般情況下，在大型橋梁設(shè)計(jì)中極限狀態(tài)法是一種應(yīng)用較多的設(shè)計(jì)方法，而對于容許應(yīng)立法來說，其應(yīng)用范圍較廣，在橋梁設(shè)計(jì)過程中，采用這種方法的目的主要在于找出橋梁結(jié)構(gòu)控制截面，在設(shè)計(jì)過程中主要對截面采取有效的措施對其進(jìn)行深入研究。

1.選擇控制截面的意義

橋梁設(shè)計(jì)過程是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，在設(shè)計(jì)過程中，為了保證各種配件的合理性，需要針對性的找出構(gòu)件的控制截面，同時(shí)還需要排除不利的截面內(nèi)力，將其作為基礎(chǔ)，從而獲取配筋設(shè)計(jì)的參數(shù)，因此，為了更好的獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)、參數(shù)，那么就需要做好相關(guān)構(gòu)建的截面控制。

2.橋梁設(shè)計(jì)中控制截面的選擇方法

2.1選取模型

對于控制截面的選擇，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程需要通過相關(guān)的模型對其進(jìn)行確定，因此，選擇合適的模型進(jìn)行截面控制非常有必要，按照相關(guān)研究可知，在方法選擇上漸進(jìn)優(yōu)化算法是一種重要的控制手段，具體方法如下：離散截面使其劃分為單元或是數(shù)量，在離散時(shí)按照單元網(wǎng)格的要求控制其數(shù)量，使其能夠得到更高的優(yōu)化結(jié)果，但是該項(xiàng)工作需要在建模的環(huán)節(jié)完成，需要重復(fù)的對模型計(jì)算。一般情況下，初始狀態(tài)的模型形態(tài)的確定，它在一定的范圍內(nèi)與截面的優(yōu)化性質(zhì)的合理性是存在密切聯(lián)系的。控制截面拓?fù)鋬?yōu)化方式主要分為平面應(yīng)力單元法以及三維實(shí)體單元法兩種。

對于第一種方法，其具備簡單易操作的特點(diǎn)，但是在應(yīng)用過程控制的范圍不大，而采用第二種形式比較復(fù)雜化，但是該方法應(yīng)用的領(lǐng)域較廣。故而在有限元計(jì)算分析時(shí)，通常都是以實(shí)體單元的方式進(jìn)行模擬，若在求解階段，產(chǎn)生棋盤效應(yīng)時(shí)，當(dāng)空心材料與實(shí)體產(chǎn)生交替的情況，則需將單元定位為高階單元，以滿足控制截面的實(shí)際要求。

2.2初始截面的選取

在優(yōu)化模型初始截面設(shè)計(jì)時(shí)，初始截面的大小比例以及初始截面形狀是需重點(diǎn)考慮的因素，在選擇截面大小時(shí)，需要做好截面覆蓋能力的設(shè)計(jì)，使其滿足實(shí)際需求。通常情況下，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常將比較大的區(qū)域作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以控制遺漏設(shè)計(jì)的情況發(fā)生。區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，當(dāng)區(qū)域不大時(shí)，就會(huì)對優(yōu)化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)造成影響；當(dāng)區(qū)域位置過大同樣會(huì)影響到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效果；當(dāng)在截面形狀選擇的階段中，要按照不同初始截面的單元進(jìn)行合理的劃分。

應(yīng)用平面應(yīng)力單元對懸臂梁優(yōu)化內(nèi)容如圖1所示，其主要是由于初始截面取值不同，導(dǎo)致兩者的差異性很大，其表現(xiàn)具體為：優(yōu)化后的支撐體系產(chǎn)生同樣的變化，且具備相似情況，但是由于支撐結(jié)構(gòu)的角度不同兩者存在差異性，當(dāng)梯形矩形截面得到優(yōu)化后，產(chǎn)生的單元數(shù)量也不同。

2.3選擇控制截面

在設(shè)計(jì)階段，采用截面優(yōu)化方式越多，則獲取的合理參數(shù)則愈多，這點(diǎn)論證在相關(guān)的橋梁工程結(jié)構(gòu)中得到了有效的驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)越的控制截面越多，則產(chǎn)生的計(jì)算量則越大，耗費(fèi)的精力時(shí)間越多，因此，在計(jì)算硬件上提出的要求也隨之增加。當(dāng)橋梁構(gòu)件自身的受力條件較為簡單時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)可以對結(jié)構(gòu)中具備代表性的截面進(jìn)行計(jì)算，如果選擇的是不利截面，則需要對其優(yōu)化后，從客觀的角度進(jìn)行分析其形狀；若橋梁結(jié)構(gòu)體系受力程度比較復(fù)雜，那么進(jìn)行截面優(yōu)化時(shí)可以選擇多個(gè)截面進(jìn)行優(yōu)化，且相比不同截面的優(yōu)化結(jié)果，選擇最優(yōu)的控制截面。

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，初始設(shè)計(jì)截面的選擇可以以矩形橋梁截面為研究對象，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體的優(yōu)化思路如下：設(shè)計(jì)時(shí)主要是通過結(jié)構(gòu)整體逐漸向著局部截面優(yōu)化后在進(jìn)入整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程，該操作環(huán)節(jié)主要是先將截面的有限元模型建立，而后進(jìn)行全面分析；之后對控制截面進(jìn)行選擇，全面分析它的性質(zhì)，且在該基礎(chǔ)上，識(shí)別器有效、低效單元；另外，將截面上的低效單元和無效單元消除；最后，分析剩余的結(jié)構(gòu)即可獲取優(yōu)化后的內(nèi)容。通過優(yōu)化后的截面可知，拓?fù)鋬?yōu)化截面其主要目的是對形狀進(jìn)行優(yōu)化，而最終的形式主要對結(jié)構(gòu)全面的優(yōu)化改善。

2.4最不利內(nèi)力組合的類型

在設(shè)計(jì)梁支座截面時(shí)，考慮支座截面產(chǎn)生的不利負(fù)彎矩和不利剪力內(nèi)容是非常重要的內(nèi)容。這主要是最不利彎矩在進(jìn)行支座截面設(shè)計(jì)時(shí)，其產(chǎn)生的斜截面會(huì)與實(shí)際的截面產(chǎn)生關(guān)系，故而從截面的不利因素進(jìn)行分析，能夠提高支座截面的承載力。在梁跨中截面設(shè)計(jì)時(shí)，需要對不利正彎矩截面進(jìn)行考慮。當(dāng)荷載產(chǎn)生作用時(shí)，則需要分析支座截面和跨中截面產(chǎn)生的彎矩組合能力。而相較于橋梁上部結(jié)構(gòu)，橋墩存在的不利內(nèi)力相對復(fù)雜。在橋斷正截面設(shè)計(jì)過程中，其和截面的上彎矩產(chǎn)生的軸力有密切的聯(lián)系。因此，在較大荷載的影響下，若彎矩存在相等值時(shí)，配筋量會(huì)隨著軸力的變化而增加；當(dāng)偏心受力條件較小時(shí)，配筋量同樣也會(huì)跟著軸力的變化而變化。因此，在設(shè)計(jì)過程中，考慮到施工方便或是減少施工過程產(chǎn)生的錯(cuò)誤行為，在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)需要控制鋼筋均勻?qū)ΨQ性，保證前兩組的不利內(nèi)力組合能夠?qū)崿F(xiàn)最大優(yōu)化，以滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.5設(shè)計(jì)區(qū)域及優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

（1）設(shè)計(jì)區(qū)域。在設(shè)計(jì)過程中，相對于橋梁斷面而言，其頂?shù)装迮c一些支撐體系采用的結(jié)構(gòu)主要是混凝土結(jié)構(gòu)方式。但是由于橋梁結(jié)構(gòu)的腹板結(jié)構(gòu)方式較多，因此，在選擇最佳的支撐方式時(shí)，可以通過截面拓?fù)鋬?yōu)的方式對其選擇，因此，在優(yōu)化模型建設(shè)時(shí)，需要做好幾何體的單元?jiǎng)澐挚刂疲ＷC單元形式具備簡單化，這樣能夠有效的對迭代收斂的內(nèi)容進(jìn)行控制。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)還可以按照鋼材料的特性，對混凝土的應(yīng)用方式進(jìn)行優(yōu)化，確保模型的操作具備真實(shí)性。

（2）設(shè)計(jì)步驟。在橋梁控制截面優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和截面尺寸的優(yōu)化，是控制截面工作非常重要的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，在操作時(shí)主要是通過限元軟件分析矩形截面的內(nèi)容，同時(shí)按照獲取的數(shù)據(jù)，做好頂?shù)装搴徒?jīng)濟(jì)支撐形狀的確定，同時(shí)，在設(shè)計(jì)階段，還需要結(jié)合設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度要求，嚴(yán)格控制矩形的內(nèi)容，并且在確定相關(guān)數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，對兩者的內(nèi)容進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后，通過優(yōu)化后將結(jié)果確定，且使其將作為選擇支撐桿件的選擇。

3.結(jié)束語

總而言之，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，控制控制截面的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過程中，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生問題就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的施工發(fā)生措施。因此，在實(shí)踐過程中，需要采用漸進(jìn)的優(yōu)化計(jì)算方式結(jié)合建模，對控制截面選擇的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，通過這樣的方式，能夠切實(shí)提高橋梁設(shè)計(jì)的質(zhì)量，值得注意的是，在控制截面選擇的過程中，還需要加強(qiáng)控制截面選擇方法研究，要在總結(jié)分析現(xiàn)有的選擇方式上，不斷的學(xué)習(xí)創(chuàng)新，將新的截面選擇方法研究出來，從而給橋梁設(shè)計(jì)事業(yè)提供可靠的支持。

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