基于VB的大型桥桩设计

2011-03-23章建明

湖北工业大学学报 2011年4期

章建明

(杭州市交通设施建设处,浙江杭州 310005)

随着计算机技术的发展,铁路桥梁设计软件正在向大规模、综合化、可视化、智能化方向发展;同时,由于桥梁工程中新结构、新工艺的不断出现,软件的更新换代也明显加快.目前,微机已成为功能强大的主流计算平台.

Visual Basic语言(简称“VB”)是应用于 Windows环境下的一种可视化编程工具,能迅速有效地进行交互界面设计.利用Windows系统和Visual Basic语言强大的功能能够开发出更利于用户的操作界面,使得系统能够在同一运行平台上完成从数据输入到图形输出的全部功能,大大提高了系统的自动化水平.完成的系统界面友好、运行平稳、结果可靠.利用Visual Basic对api函数的调用可以方便的操作运行于Windows操作系统的其他软件,完成更强大的操作.

本文正是在这个基础上运用VB来完成桥桩的设计.

1 桥桩基础的设计模型

1.1 桩基础力学计算模型

当桥梁墩台桩基础承台底部截面形心处承受上部传来的荷载 ∑N、∑M、∑Q时,承台和桩都将产生竖向位移、横向位移和转角.对于每根桩来说,在桩顶处有相应的剪力Qi、轴向力Ni,弯矩Mi的作用(图1),如果不考虑轴向力Ni所引起的对桩身任意截面的附加弯矩,每根桩的受力、位移可分解为图1所示的受力模型进行计算.

图1中,桩顶处受轴力Ni作用,土层对桩周产生摩阻力,并对桩尖产生支撑阻力.图1中,由于桩顶处剪力Qi,弯矩Mi的作用,桩身将产生挠曲变形,桩身各点将有横向位移,因而土面以下的桩身承受土的被动抗力σx(或者称为弹性抗力).桩在Qi、Mi以及σx共同的作用下,桩身各截面都将承受弯矩和剪力.因此,可以把桩基础中的每根桩看成是一个承受复杂分布规律的侧向力σx的压弯构件[1].

1.2 桩基础内力和位移计算

桩基的内力和位移计算是桩基力学检验的基础和依据,是桩基础设计的重要组成部分.

1.3 单桩的受力分析

埋置于土中的桩受力后将产生竖向位移、侧向位移和转角,同时桩身承受轴向力、剪力和弯矩.桩的竖向位移将引起桩侧土的摩阻力和桩底部的竖向土抗力;桩身的水平位移和转动将引起桩侧土的水平抗力.因此,单桩受力后产生的内力和变形,不仅与桩身刚度有关,且与土的抗力大小有关.

1.4 群桩基础的平面分析

桩基的桩顶与承台联结成为整体,可以认为桩顶嵌固于刚性承台中,而桩的下部埋入土中,整个桩基可视为具有刚性承台的刚架,对群桩桩基的计算实际是求解一个具有刚性承台的空间刚架.在桥梁基础设计中,设计人员最常遇到的是具有一或两个对称面的,且外力作用于对称面内的结构形式,故可简化为平面刚架来处理.根据整个特点,可以使用位移法来求解.

2 桥桩基础VB程序设计

2.1 程序结构

本程序由三大部分组成:前处理部分、核心计算部分以及后处理部分,其具体组成结构见图2.

图2 桥桩程序结构

2.2 界面设计

VB只需程序设计者进行一些简单的操作,再加上少量的程序代码就可以设计出满意的界面,给人意想不到的惊喜.程序主界面如图3,本软件还大量使用了对话框.对话框是应用程序与用户交互的重要手段.在程序运行过程中,对话框可用于捕捉用户的输入信息和数据(图4).

2.3 前处理部分

在此部分将设计、计算、绘图所需的各种数据交互式输入计算机.

2.4 核心计算部分

计算部分是整个CAD系统的核心.本系统主要参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》[2],《公路桥涵地基和基础设计规范》[3]等来进行构件的设计计算,在结构的静力计算中采用桩基础的空间计算模型[4]进行计算.在这部分中主要包括了:桩基础的空间分析、承台位移计算、桩顶位移计算、单桩内力和承载力分析等.

用户点击主程序的“开始设计”命令菜单后,系统开始读入用户输入数据,并依次进行如下步骤计算:

1)计算各桩的刚度系数矩阵和旋转变换矩阵;

2)计算桩基础的整体刚度系数矩阵;

3)求解整体平衡方程,得出桩基础的整体位移列阵;

4)计算各桩的桩顶位移列阵和桩顶力列阵;

5)搜索得出桩基础中轴向力最大的桩并检算其承载力,判断是否满足承载力要求,如果满足可进行下一步计算,如果不满足,程序将结束,并给出结束信息;

6)求解各桩身内力;

7)转入后处理程序,输出相关数据并转入绘图程序.

2.5 后处理部分

系统后处理主要包括结构计算数据的显示和输出、施工图的显示和输出.后处理的绘图部分,将计算结果可视化,根据计算分析的数据,利用软件自有的数据显示功能显示,大大方便了用户.当显示的结果达到用户的满意度后,程序可以生成与AUTOCAD的图形文件接口的输出模块,方便用户作进一步的修改、编辑和打印.将计算结果导入 Excel显示,并绘制相应的表格.