橋梁設(shè)計(jì)中控制截面選擇方法研究

何晉 甘超龍

摘要：本文以控制截面選擇方法為研究對(duì)象，探究橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中控制截面選擇方法，首先簡(jiǎn)要分析了橋梁設(shè)計(jì)時(shí)選擇控制截面的意義，其次從選取模型、初始截面的選取、選擇控制截面、設(shè)計(jì)區(qū)域、優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟以及活荷載布置多面對(duì)控制截面選擇方法進(jìn)行能探討，分析研究可知，橋梁設(shè)計(jì)中控制截面選擇方法能夠針對(duì)性的提高橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)橋梁事業(yè)的發(fā)展有重要作用。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)；截面；控制；選擇；方法

0.引言

在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，截面設(shè)計(jì)選擇的方法正確與否，在一定的程度上直接影響到橋梁整體性能的安全性與穩(wěn)定性，因此，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須要針對(duì)性的選擇控制截面的方法，保證截面的設(shè)計(jì)能滿足設(shè)計(jì)要求，從而給后續(xù)橋梁施工提供可靠的資料。

1.選擇控制截面的意義

橋梁是由很多結(jié)構(gòu)部件所組成，為了可以保證橋梁順利施工，配件設(shè)計(jì)必須要科學(xué)合理，同時(shí)還應(yīng)該嚴(yán)格控制截面尺寸，且及時(shí)檢查結(jié)構(gòu)中所存在不利的內(nèi)力，將其作為主要的設(shè)計(jì)依據(jù)。從該角度出發(fā)，選擇控制截面的意義重大。必須針對(duì)性的選擇控制截面方法從而確保橋梁的安全性及穩(wěn)定性。

2.橋梁設(shè)計(jì)中控制截面的選擇方法

2.1選取模型

確定模型的截面尺寸，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，故而，在設(shè)計(jì)階段要按照實(shí)際的需求做好模型的設(shè)計(jì)，通過(guò)相關(guān)的文獻(xiàn)資料查閱可知，在設(shè)計(jì)上本文主要以漸進(jìn)優(yōu)化的算法對(duì)控制截面的尺寸進(jìn)行確定，具體的操作要點(diǎn)如下：

截面離散為多個(gè)單元結(jié)構(gòu)，設(shè)置的基本原則就是盡量的縮小單元網(wǎng)格，從而可以使得結(jié)果更加的準(zhǔn)確，但是，在操作上需要特別注意網(wǎng)格的劃分以及模型建立的內(nèi)容控制，保證優(yōu)化階段能夠?qū)δＰ蛯?shí)施反復(fù)計(jì)算，在設(shè)計(jì)上，初始狀態(tài)的模型它相較于截面控制優(yōu)化模型存在的關(guān)系度很大。目前對(duì)于截面優(yōu)化的方式主要就是通過(guò)平面應(yīng)力單元法與三維實(shí)體單元法來(lái)進(jìn)行的。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，前者操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是只能使用在較小范圍內(nèi)，而后者計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，但是可以應(yīng)用在多種狀況之下。在最終求解的過(guò)程中，一旦存在棋盤效應(yīng)，則表示實(shí)體和空心材料存在交替的關(guān)系，此時(shí)，可以將其看成一個(gè)高階單元，使其滿足最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2初始截面的選取

初始截面大小以及形狀是整個(gè)優(yōu)化模型首要考慮的因素。通常來(lái)說(shuō)，以設(shè)計(jì)角度對(duì)此時(shí)截面的選擇反洗，可以認(rèn)定為選擇區(qū)域大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生遺漏的情況故而，需要對(duì)其優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證初始截面處于合理性和科學(xué)性。如果選擇的區(qū)域比較小，則無(wú)法保障最終結(jié)果；如果優(yōu)化區(qū)域太大，則會(huì)導(dǎo)致最終的結(jié)果不具較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。在截面形狀選擇的過(guò)程中，如果采取不同的初始截面劃分方式，則會(huì)存在有不同單元數(shù)量和形狀的情況，對(duì)于最終的優(yōu)化結(jié)果也產(chǎn)生極為不良的影響。如下圖1即為平面應(yīng)力單元實(shí)施懸臂梁的優(yōu)化。

在初始截面選擇上，若取值存在差異性，那么優(yōu)化結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，很多設(shè)計(jì)者在支撐體系優(yōu)化以及組織優(yōu)化時(shí)，雖然考慮了這些內(nèi)容，但是，沒(méi)有從支撐的角度分析其取值，且矩形截面采取的優(yōu)化處理方式不對(duì)，那么預(yù)留的單元數(shù)量會(huì)存在很大的差異性。

2.3選擇控制截面

通過(guò)強(qiáng)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，能夠切實(shí)的將截面的優(yōu)化效果提高，使其能夠滿足最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，例如，可以將內(nèi)力中的不利截面作為定點(diǎn)，從基礎(chǔ)對(duì)其優(yōu)化，且通過(guò)可視化角度對(duì)其調(diào)整后，將其的形狀結(jié)構(gòu)改善；假如橋梁受力結(jié)構(gòu)它有著較多的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，在確定截面的結(jié)構(gòu)形式上，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化同時(shí)還要比對(duì)所以截面的結(jié)果，進(jìn)而可以確定最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以將矩形截面確定為初始設(shè)計(jì)截面，具體優(yōu)化的方法為：從整體優(yōu)化開(kāi)始逐漸到局部?jī)?yōu)化，然后再返回到整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先需要根據(jù)需要建設(shè)有限元模型，然后從整體角度進(jìn)行分析；隨后選擇控制截面，進(jìn)行截面性質(zhì)優(yōu)化，此時(shí)可以有效的識(shí)別出其所存在的無(wú)效單元或者低效單元；整體結(jié)構(gòu)上除掉上述兩個(gè)單元，然后對(duì)剩余結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行整體性的優(yōu)化以得出最佳優(yōu)化方式，確定合理的截面尺寸。

2.4設(shè)計(jì)區(qū)域及優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

2.4.1設(shè)計(jì)區(qū)域。一般情況下，梁斷面的組成形式，基本和混凝土結(jié)構(gòu)形式一樣，且很多支撐結(jié)構(gòu)體系是較為難明確的，例如常見(jiàn)的腹板結(jié)構(gòu)，故而，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要明確腹板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)采取有效的截面優(yōu)化手段對(duì)其設(shè)計(jì)，以保證該區(qū)域的設(shè)計(jì)效果滿足實(shí)踐需求。在模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在對(duì)該范圍內(nèi)進(jìn)行單元?jiǎng)澐值倪^(guò)程中，應(yīng)該盡可能的選擇使用簡(jiǎn)單的形式，以全面提升效率、節(jié)約時(shí)間，還需要給予設(shè)計(jì)范圍內(nèi)鋼材特性，以保證模型的實(shí)施更加的可行。

2.4.2設(shè)計(jì)步驟。在實(shí)施橋梁控制截面優(yōu)化的過(guò)程中，通常包含了如下的工序：首先需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；其次，進(jìn)行截面尺寸優(yōu)化。在具體實(shí)施的過(guò)程中，通過(guò)有限元分析軟件分析矩形梁結(jié)構(gòu)，以明確頂板與底板支撐結(jié)構(gòu)的形狀與角度，最終選擇符合要求強(qiáng)度與剛度要求的矩形梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確定整個(gè)橋梁中應(yīng)用最優(yōu)化支撐桿件結(jié)構(gòu)。

2.5活荷載的布置

恒載就是在橋梁使用的過(guò)程中，所承載的固定載荷，設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)行綜合的分析和考慮，在確定內(nèi)力的過(guò)程中，恒載必須滿布。豎向活載并不是固定不變的，選擇不同的形式就會(huì)存在不同內(nèi)力形式。因此，在實(shí)踐中，要考慮到不利布置來(lái)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，以確定截面所存在的最不利內(nèi)力。將其與恒載、水平荷載比較，數(shù)值是非常小的，這就不要考慮活荷載的布置，只是進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算的應(yīng)用，以降低設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。如果豎向活載參數(shù)較大，此時(shí)就應(yīng)該考慮該載荷的分布情況。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以讓梁端存在塑性鉸，在進(jìn)行梁體結(jié)構(gòu)的考慮分析中來(lái)確定塑性力分布狀態(tài)，一般是來(lái)降低支座彎矩，并且減少配筋數(shù)。對(duì)于現(xiàn)澆支撐梁結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，支座彎矩調(diào)幅系數(shù)設(shè)定為0.8-0.9。以整體裝配梁體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果在施工的過(guò)程中存在焊接不牢固或者接縫比較大的情況，節(jié)點(diǎn)位置極易出現(xiàn)變形的問(wèn)題，梁端彎矩值會(huì)比較低，此時(shí)可以進(jìn)行支座彎矩調(diào)幅系數(shù)的降低，在該過(guò)程之后，應(yīng)該加大梁跨中彎矩的確定。支座塑性鉸之后，就不會(huì)存在截面承載性能不足的情況?？缰袕澗匦枰m當(dāng)?shù)脑黾悠胶鈼l件。塑性調(diào)幅就是為了可以有效的調(diào)整內(nèi)部載荷作用力，所以應(yīng)該在組合之前進(jìn)行該工作，并且要綜合考慮到水平荷載的內(nèi)力組合形式。

3.結(jié)束語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，設(shè)計(jì)復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整體性能難以滿足交通運(yùn)行需要，甚至引發(fā)交通事故。這就需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，使用漸進(jìn)優(yōu)化算法，在有限元模型的基礎(chǔ)上確定截面最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而可以全面提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，以更好的促進(jìn)我國(guó)橋梁事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的騰飛和進(jìn)步。

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