跨座式單軌區(qū)間軌道梁橋設(shè)計(jì)軟件開發(fā)研究

張世基 韓廣暉 馮 凱

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌具有占地少、施工速度快、線路轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn),是一種優(yōu)良的中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)?？缱絾诬壈l(fā)源于歐洲,美國(guó)、德國(guó)、日本、新加坡、巴西等許多國(guó)家都修建了跨座式單軌線路。我國(guó)自重慶市引入跨座式單軌交通系統(tǒng)以來,很多學(xué)者對(duì)跨座式單軌體系橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,積極推動(dòng)跨座式單軌國(guó)產(chǎn)化、自主化和技術(shù)創(chuàng)新。宋浩結(jié)合BIM 技術(shù)對(duì)區(qū)間軌道梁線形控制技術(shù)開展研究[1];聶桂良等對(duì)豎向荷載作用下單線和復(fù)線鋼軌道梁進(jìn)行受力和變形性能研究[2];蔣依壇等對(duì)單軌橋高墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性試驗(yàn)和有限元分析[3];路曉宇等對(duì)比連續(xù)剛構(gòu)體系與簡(jiǎn)支體系軌道梁特點(diǎn),闡述連續(xù)剛構(gòu)體系軌道梁的優(yōu)越性[4];王宏亮開展考慮滑移效應(yīng)的單軌交通鋼混組合軌道梁-車輛耦合系統(tǒng)動(dòng)力及低頻噪聲問題研究[5]。

近年來,隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,橋梁計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(如橋梁博士、MIDAS、橋梁通、橋梁設(shè)計(jì)師等)在工程中得到廣泛應(yīng)用,極大推動(dòng)工程行業(yè)的進(jìn)步。吳平川等結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)軟件MIDAS civil 方便高效的前處理功能和通用有限元軟件ABAQUS 強(qiáng)大的分析功能,開發(fā)從MIDAS civil 到ABAQUS 軟件的接口程序[6];許卓偉針對(duì)公路互通立交曲線梁橋CAD 系統(tǒng)開展研究[7];王高科對(duì)高速公路橋梁施工圖繪圖方法進(jìn)行探討[8]。目前,市場(chǎng)上缺乏滿足跨座式軌道交通橋梁設(shè)計(jì)需求的軟件。

以下從連續(xù)剛構(gòu)體系跨座式單軌橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā),研究設(shè)計(jì)過程中遇到的布置、計(jì)算、繪圖和算量等問題,開發(fā)一種適應(yīng)跨座式單軌橋梁特點(diǎn)的一體化設(shè)計(jì)軟件,以期達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率、改善設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

2 軟件的流程和功能模塊劃分

蕪湖跨座式單軌采用連續(xù)剛構(gòu)體橋梁體系,該體系對(duì)橋梁設(shè)計(jì)軟件功能提出新的需求。連續(xù)剛構(gòu)體系中,軌道梁結(jié)構(gòu)在不同支點(diǎn)處高度不同,要求設(shè)計(jì)軟件支持變高度連續(xù)剛構(gòu)橋梁的繪制;連續(xù)剛構(gòu)體系具有超靜定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基礎(chǔ)受力分析與上部結(jié)構(gòu)耦合度高,樁基礎(chǔ)需要進(jìn)行迭代試算;單軌橋梁具有“梁軌合一”的特點(diǎn),軌道梁定位精度誤差控制在毫米級(jí),單軌橋的設(shè)計(jì)過程中需對(duì)橋墩位置、軌道梁位置、軌道梁超高和墊石超高進(jìn)行精確計(jì)算;單軌橋區(qū)間包含PC 簡(jiǎn)支梁、鋼混結(jié)合梁、連續(xù)PC 梁等多種類型的結(jié)構(gòu),以及支座、預(yù)埋件、附屬結(jié)構(gòu)等,容易造成工程數(shù)量計(jì)算紕漏。

針對(duì)連續(xù)體系軌道梁橋的特點(diǎn),考慮采用軟件開發(fā)的方法解決上述問題。結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)流程,采用面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行軟件開發(fā),規(guī)劃軟件使用流程,劃分功能模塊。軟件的流程和功能模塊劃分如圖1 所示。

圖1 軟件流程和功能模塊劃分

單軌橋梁的設(shè)計(jì)流程可概括為:獲取設(shè)計(jì)邊界條件→橋梁孔跨布設(shè)→墩梁定位計(jì)算→橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和計(jì)算→橋梁平立面布置圖繪制→橋梁工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)。按照使用功能將軟件模塊分為:設(shè)計(jì)邊界條件輸入、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)計(jì)成果輸出4 部分。采用MVC(模型-視圖-控制器)模式進(jìn)行分層開發(fā),在模型層采用組合關(guān)系對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,在控制器層進(jìn)行專業(yè)計(jì)算功能的實(shí)現(xiàn),在視圖層進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化和輸出。

為方便對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和重復(fù)利用,采用數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)橋梁構(gòu)件幾何參數(shù)、荷載信息、圖塊、工程數(shù)量信息,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)橋墩、梁部、基礎(chǔ)、荷載工況、材料、控制條件等數(shù)據(jù)庫(kù)表單,開發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的編輯功能和交互界面窗口。

3 跨座式單軌軌道梁橋關(guān)鍵功能模塊

針對(duì)軌道梁橋布置、連續(xù)剛構(gòu)體系基礎(chǔ)計(jì)算、軌道梁橋圖紙繪制、工程數(shù)量計(jì)算的特點(diǎn),進(jìn)行軌道梁橋孔跨布置模塊、樁基礎(chǔ)計(jì)算模塊、立面圖繪制模塊、工程數(shù)量計(jì)算模塊開發(fā)思路和實(shí)現(xiàn)方法的介紹。

3.1 軌道梁橋孔跨布置模塊

孔跨布置模塊的功能是在線路、地形、地質(zhì)等設(shè)計(jì)邊界條件和橋梁布跨指導(dǎo)原則明確的條件下,選擇合理的上部結(jié)構(gòu)孔跨布置組合來確定墩臺(tái)的位置,得到滿足經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件等要求的合理布跨方案,其流程如圖2 所示。

圖2 軌道梁橋布跨流程

(1)孔跨布置和墩梁定位

單軌軌道梁橋在布跨計(jì)算基準(zhǔn)線路的選擇和布跨方式上與鐵路橋梁存在區(qū)別。以雙線橋梁為例,在計(jì)算基準(zhǔn)線的選擇上,鐵路橋梁以左線為基準(zhǔn)線,依靠單一的線路左線進(jìn)行橋墩的平面定位;單軌橋梁基準(zhǔn)線為虛擬中線,根據(jù)左右線推算得到,如圖3 所示。上部結(jié)構(gòu)的布置方式上,曲線上橋梁、鐵路簡(jiǎn)支梁橋采用平分中矢法布置,連續(xù)梁橋采用曲梁曲做布置;單軌橋的各種梁型均采用曲梁曲做。軌道梁橋采用虛擬中線長(zhǎng)度等于名義跨度的方式進(jìn)行布跨,以跨度30 m 為例,在曲線內(nèi)側(cè)的軌道梁實(shí)際長(zhǎng)度小于30 m,而在曲線外側(cè)的軌道梁的實(shí)際長(zhǎng)度大于30 m。

橋梁立面中高程定位計(jì)算同樣需要同時(shí)依靠左線和右線,根據(jù)對(duì)應(yīng)的左右線樁號(hào)分別計(jì)算高程后取平均值。

軟件開發(fā)中,在控制層編寫橋梁布置計(jì)算工具類(LayOut Class),根據(jù)控制墩樁號(hào)和橋梁孔跨組合計(jì)算每個(gè)墩位處樁號(hào)。在模型層編寫路線類(Alignment Class),用平面線屬性和縱斷面屬性存放線路平面和縱斷面數(shù)據(jù),編寫坐標(biāo)獲取方法獲取樁號(hào)對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo),編寫高程獲取方法獲取樁號(hào)對(duì)應(yīng)的高程。采用多線計(jì)算工具類(Alignment Utility Class)解決多條路線間平面位置的計(jì)算。多線計(jì)算方法可根據(jù)任意基準(zhǔn)線里程和橋墩與基準(zhǔn)線的夾角計(jì)算其余線對(duì)應(yīng)的里程和高程,設(shè)計(jì)UI 窗口進(jìn)行交互,滿足參數(shù)調(diào)整和計(jì)算結(jié)果顯示,如圖4 所示。

圖4 多線間樁號(hào)計(jì)算

(2)基礎(chǔ)和預(yù)埋件定位

在橋墩定位的基礎(chǔ)上研究局部構(gòu)件(如預(yù)埋件)定位計(jì)算方法。編寫坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換類(Transform Class),將局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至整體坐標(biāo)系下,實(shí)現(xiàn)預(yù)埋件的精確定位計(jì)算。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換類通過構(gòu)造3×4 階矩陣存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)和平移數(shù)據(jù),局部和整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過矩陣疊加完成。

基樁定位計(jì)算中,根據(jù)基礎(chǔ)和橋墩定位線的相對(duì)位置關(guān)系,構(gòu)造以橋墩定位線為基準(zhǔn)線的橋墩局部坐標(biāo)系和以基礎(chǔ)中心為基準(zhǔn)的基礎(chǔ)局部坐標(biāo)系,如圖5 所示。將上述2 個(gè)坐標(biāo)系疊加后,得到整體坐標(biāo)系下基樁的位置。

圖5 基樁定位計(jì)算坐標(biāo)系

橋墩臨時(shí)支撐的定位計(jì)算中,以軌道梁端部為原點(diǎn),建立梁部局部坐標(biāo)系,在梁部局部坐標(biāo)系下,考慮制造過程軌道梁高度變化因素后,確定臨時(shí)支撐點(diǎn)頂部的局部坐標(biāo),經(jīng)矩陣運(yùn)算后得到整體坐標(biāo)系下支撐點(diǎn)位置。臨時(shí)支撐與軌道梁和橋墩的關(guān)系如圖6所示。

圖6 臨時(shí)支撐示意

3.2 連續(xù)剛構(gòu)體系軌道梁橋樁基礎(chǔ)計(jì)算模塊

樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和地質(zhì)情況息息相關(guān),樁基礎(chǔ)計(jì)算依據(jù)地質(zhì)資料土層參數(shù)。為解決樁基計(jì)算中土層參數(shù)快速獲取和多點(diǎn)地質(zhì)資料快速輸入等問題,利用CAD圖元代表土層的方法實(shí)現(xiàn)土層位置的標(biāo)記,如圖7 所示,使用不同圖層來進(jìn)行地質(zhì)土層信息的管理。軟件開發(fā)中,在模型層編寫土層類(SoilData Class)進(jìn)行土層數(shù)據(jù)的管理。在控制層編寫土層操作類(Soil Utility Class)處理土層信息,以實(shí)現(xiàn)樁基計(jì)算所需的地質(zhì)參數(shù)快速獲取。

圖7 土層標(biāo)記方法示意(單位:m)

連續(xù)剛構(gòu)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)剛度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生影響。對(duì)整聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析前,先假定基礎(chǔ)剛度,按假定基礎(chǔ)剛度分析內(nèi)力進(jìn)行樁長(zhǎng)計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正計(jì)算模型中基礎(chǔ)的剛度,重復(fù)上述計(jì)算過程,直至兩次計(jì)算結(jié)果滿足收斂要求。樁長(zhǎng)迭代計(jì)算流程如圖8 所示。為了使迭代結(jié)果快速收斂,樁長(zhǎng)修正采用二分法進(jìn)行(利用本次計(jì)算得到的樁長(zhǎng)和上一次樁長(zhǎng)的平均值作為下次計(jì)算的初始值)。

圖8 樁長(zhǎng)迭代計(jì)算流程

3.3 軌道梁橋平立面圖繪制模塊

軌道梁橋平立面布置繪圖過程分為橋墩和基礎(chǔ)圖元繪制、文字及標(biāo)注信息繪制2 部分。橋梁構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高,繪圖過程圍繞構(gòu)件進(jìn)行,構(gòu)件圖元繪制完成后,再進(jìn)行標(biāo)注和文字信息繪制。

程序設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)橋墩、基礎(chǔ)、軌道梁等不同類型的構(gòu)件類,分別編寫繪圖方法來完成結(jié)構(gòu)輪廓和標(biāo)注文字繪制。繪制過程以1 跨為基本單元,依次調(diào)用梁部類、橋墩類、基礎(chǔ)類中的繪圖方法,遍歷全橋構(gòu)件完成全橋圖的繪制。變高連續(xù)結(jié)構(gòu)梁部繪制以1 聯(lián)梁為單位,變高段的繪制采用長(zhǎng)度和高度2 個(gè)參數(shù)控制。利用軟件繪制的橋梁立面如圖9 所示,包括上下部結(jié)構(gòu)的位置、尺寸信息以及控制高程信息。

圖9 連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋立面(高程單位:m,其余:cm)

3.4 軌道梁橋工程數(shù)量計(jì)算及輸出模塊

為方便分類計(jì)算,將軌道梁橋工程量分為主體結(jié)構(gòu)工程和附屬工程2 部分。主體結(jié)構(gòu)中梁部按榀(聯(lián))來計(jì)算,橋墩按照組成及材料種類進(jìn)行計(jì)算,基礎(chǔ)按照結(jié)構(gòu)主體和開挖工程進(jìn)行計(jì)算。附屬工程依托于主體工程采用配置公式進(jìn)行計(jì)算。

程序開發(fā)的過程中,數(shù)量項(xiàng)采用編碼的方式進(jìn)行標(biāo)記和管理。在模型層編寫工程數(shù)量項(xiàng)類(Quantity Item Class)進(jìn)行數(shù)量項(xiàng)的存儲(chǔ),在數(shù)據(jù)庫(kù)中將標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的數(shù)量以表格的形式進(jìn)行保存。在控制層編寫工程數(shù)量計(jì)算類(Bill Class)對(duì)構(gòu)件中存儲(chǔ)的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ),匯總相同數(shù)量項(xiàng)。

工程數(shù)量的輸出采用模板配置的方式。在預(yù)先設(shè)置好的Excel 數(shù)量模板中,按照工程數(shù)量項(xiàng)逐一對(duì)應(yīng)填寫輸出編碼和公式,輸出編碼與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)量項(xiàng)編碼形成映射關(guān)系。輸出工程數(shù)量表時(shí),依次使用數(shù)值替換編碼,以某工點(diǎn)為例,部分編碼與數(shù)量如圖10 所示。

圖10 工程數(shù)量編碼與數(shù)量

3.5 軟件效率

以某區(qū)間軌道梁橋設(shè)計(jì)為例,采用手工計(jì)算和繪圖耗時(shí)20 d,使用軌道梁橋設(shè)計(jì)軟件后耗時(shí)5 d,提高約4 倍的工作效率。

4 結(jié)語

針對(duì)跨座式單軌橋梁設(shè)計(jì)過程中遇到的孔跨布置、樁基礎(chǔ)計(jì)算、圖紙繪制和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等問題,提出依托線路左線、右線和虛擬中線進(jìn)行橋墩、軌道梁定位的算法;采用迭代試算的方法解決連續(xù)剛構(gòu)樁基礎(chǔ)批量計(jì)算的問題,通過圖元化的土層標(biāo)記解決快速獲取地質(zhì)土層信息問題;采用單基點(diǎn)定位多參數(shù)控制的方法解決變高連續(xù)結(jié)構(gòu)立面圖繪制問題;采用編碼連接工程量數(shù)據(jù)庫(kù)和Excel 表格的方法進(jìn)行數(shù)量快速檢索及匯總輸出。

在提出解決方法的基礎(chǔ)上,采用C++編程語言,依托AutoCAD 進(jìn)行軌道梁橋設(shè)計(jì)軟件開發(fā),軟件應(yīng)用于蕪湖市軌道交通1 號(hào)線、2 號(hào)線工程橋梁設(shè)計(jì)中,為跨座式軌道交通連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁設(shè)計(jì)提供了有效的工具支撐。