桥梁设计过程中控制截面选取分析

李永忠 戴文彬

摘要：文章以控制截面选择方法为研究对象，对桥梁设计过程控制截面选择的方式进行总结分析，分别从模型选择、初始截面的选取、选择控制截面以及不利内力组合类型选择方式，详细阐述桥梁设计控制截面选择方法，同时对设计区域及优化设计实施步骤进行研究，实践可知，在桥梁设计过程中，针对不同位置的选择不同的控制截面，可有效提高整体结构的稳定性。

关键词：桥梁设计；结构；截面控制；选择方法；分析

0.引言

容许应力法以及极限状态法是桥梁设计过程常用的设计方法，容许应力法在设计过程中的主要目的是对荷载产生的应力和桥梁结构出现的极限应力进行计算，在实践过程中若荷载产生的应力比极限应力小，则表示桥梁结构稳定、安全。一般情况下，在大型桥梁设计中极限状态法是一种应用较多的设计方法，而对于容许应立法来说，其应用范围较广，在桥梁设计过程中，采用这种方法的目的主要在于找出桥梁结构控制截面，在设计过程中主要对截面采取有效的措施对其进行深入研究。

1.选择控制截面的意义

桥梁设计过程是一项系统性的工作，在设计过程中，为了保证各种配件的合理性，需要针对性的找出构件的控制截面，同时还需要排除不利的截面内力，将其作为基础，从而获取配筋设计的参数，因此，为了更好的获取相关的数据、参数，那么就需要做好相关构建的截面控制。

2.桥梁设计中控制截面的选择方法

2.1选取模型

对于控制截面的选择，在桥梁结构设计过程需要通过相关的模型对其进行确定，因此，选择合适的模型进行截面控制非常有必要，按照相关研究可知，在方法选择上渐进优化算法是一种重要的控制手段，具体方法如下：离散截面使其划分为单元或是数量，在离散时按照单元网格的要求控制其数量，使其能够得到更高的优化结果，但是该项工作需要在建模的环节完成，需要重复的对模型计算。一般情况下，初始状态的模型形态的确定，它在一定的范围内与截面的优化性质的合理性是存在密切联系的。控制截面拓扑优化方式主要分为平面应力单元法以及三维实体单元法两种。

对于第一种方法，其具备简单易操作的特点，但是在应用过程控制的范围不大，而采用第二种形式比较复杂化，但是该方法应用的领域较广。故而在有限元计算分析时，通常都是以实体单元的方式进行模拟，若在求解阶段，产生棋盘效应时，当空心材料与实体产生交替的情况，则需将单元定位为高阶单元，以满足控制截面的实际要求。

2.2初始截面的选取

在优化模型初始截面设计时，初始截面的大小比例以及初始截面形状是需重点考虑的因素，在选择截面大小时，需要做好截面覆盖能力的设计，使其满足實际需求。通常情况下，在设计时，通常将比较大的区域作为设计目标，以控制遗漏设计的情况发生。区域优化设计阶段，当区域不大时，就会对优化产生的结构造成影响；当区域位置过大同样会影响到实际的经济效果；当在截面形状选择的阶段中，要按照不同初始截面的单元进行合理的划分。

应用平面应力单元对悬臂梁优化内容如图1所示，其主要是由于初始截面取值不同，导致两者的差异性很大，其表现具体为：优化后的支撑体系产生同样的变化，且具备相似情况，但是由于支撑结构的角度不同两者存在差异性，当梯形矩形截面得到优化后，产生的单元数量也不同。

2.3选择控制截面

在设计阶段，采用截面优化方式越多，则获取的合理参数则愈多，这点论证在相关的桥梁工程结构中得到了有效的验证。在设计时优越的控制截面越多，则产生的计算量则越大，耗费的精力时间越多，因此，在计算硬件上提出的要求也随之增加。当桥梁构件自身的受力条件较为简单时，设计时可以对结构中具备代表性的截面进行计算，如果选择的是不利截面，则需要对其优化后，从客观的角度进行分析其形状；若桥梁结构体系受力程度比较复杂，那么进行截面优化时可以选择多个截面进行优化，且相比不同截面的优化结果，选择最优的控制截面。

在桥梁结构设计中，根据相关的设计经验可知，初始设计截面的选择可以以矩形桥梁截面为研究对象，对其进行优化设计，具体的优化思路如下：设计时主要是通过结构整体逐渐向着局部截面优化后在进入整体结构的优化过程，该操作环节主要是先将截面的有限元模型建立，而后进行全面分析；之后对控制截面进行选择，全面分析它的性质，且在该基础上，识别器有效、低效单元；另外，将截面上的低效单元和无效单元消除；最后，分析剩余的结构即可获取优化后的内容。通过优化后的截面可知，拓扑优化截面其主要目的是对形状进行优化，而最终的形式主要对结构全面的优化改善。

2.4最不利内力组合的类型

在设计梁支座截面时，考虑支座截面产生的不利负弯矩和不利剪力内容是非常重要的内容。这主要是最不利弯矩在进行支座截面设计时，其产生的斜截面会与实际的截面产生关系，故而从截面的不利因素进行分析，能够提高支座截面的承载力。在梁跨中截面设计时，需要对不利正弯矩截面进行考虑。当荷载产生作用时，则需要分析支座截面和跨中截面产生的弯矩组合能力。而相较于桥梁上部结构，桥墩存在的不利内力相对复杂。在桥断正截面设计过程中，其和截面的上弯矩产生的轴力有密切的联系。因此，在较大荷载的影响下，若弯矩存在相等值时，配筋量会随着轴力的变化而增加；当偏心受力条件较小时，配筋量同样也会跟着轴力的变化而变化。因此，在设计过程中，考虑到施工方便或是减少施工过程产生的错误行为，在桥墩设计时需要控制钢筋均匀对称性，保证前两组的不利内力组合能够实现最大优化，以满足实际的设计目标。

2.5设计区域及优化设计步骤

（1）设计区域。在设计过程中，相对于桥梁断面而言，其顶底板与一些支撑体系采用的结构主要是混凝土结构方式。但是由于桥梁结构的腹板结构方式较多，因此，在选择最佳的支撑方式时，可以通过截面拓扑优的方式对其选择，因此，在优化模型建设时，需要做好几何体的单元划分控制，保证单元形式具备简单化，这样能够有效的对迭代收敛的内容进行控制。另外，在设计时还可以按照钢材料的特性，对混凝土的应用方式进行优化，确保模型的操作具备真实性。

（2）设计步骤。在桥梁控制截面优化设计过程中，拓扑优化设计和截面尺寸的优化，是控制截面工作非常重要的一项环节，在操作时主要是通过限元软件分析矩形截面的内容，同时按照获取的数据，做好顶底板和经济支撑形状的确定，同时，在设计阶段，还需要结合设计的强度、刚度要求，严格控制矩形的内容，并且在确定相关数据的范围内，对两者的内容进行拓扑优化，最后，通过优化后将结果确定，且使其将作为选择支撑杆件的选择。

3.结束语

总而言之，在桥梁结构设计过程，控制控制截面的选择是一个复杂的过程中，设计环节中当某一节点产生问题就会导致后续的施工发生措施。因此，在实践过程中，需要采用渐进的优化计算方式结合建模，对控制截面选择的内容进行计算，通过这样的方式，能够切实提高桥梁设计的质量，值得注意的是，在控制截面选择的过程中，还需要加强控制截面选择方法研究，要在总结分析现有的选择方式上，不断的学习创新，将新的截面选择方法研究出来，从而给桥梁设计事业提供可靠的支持。

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