钢筋混凝土箱型桥梁断面优化设计要点分析

邵世斌

（青海省交通规划设计研究院有限公司，西宁810001）

1 引言

桥梁工程是我国交通运输体系的重要构成，其质量关系着人们出行的安全性和舒适度。近些年，为了确保桥梁整体质量，人们对桥梁工程施工环审的质量提出的要求不断提升。在具体实践中，因桥梁设计较复杂且对施工技术水平要求较高，桥梁工程跨度持续拓展。既有工程实践表明【1】，箱型桥梁断面在施工便捷性、优化质量及结构合理性等诸多方面占据优势，得到了诸多设计人员的肯定与使用。伴随桥梁工程建设数目增加、规模拓展，与箱型桥梁断面优化设计相关的研究工作持续拓展。笔者在结合既往工程设计实践及有关学者研究成果的基础上，对断面优化设计方案予以研究。

2 钢筋混凝土箱型桥梁断面

在建筑行业内，箱型梁主要是指断面与常规箱体相同的技术类型，主要用于桥梁工程施工领域。箱型梁构成以盖板、腹板、底板及隔板为主，用途以满足大跨度建设的需求或承重结构施工为主。依照材料的差异性，可以把箱型梁分为预应力钢筋混凝土及钢材2种箱型梁。既有大量工程实践表明，箱形截面持有较好的抗弯与抗扭属性，提供抗弯能力的构件以箱型截面的顶板与底板为主，箱梁腹板的作用以承载由结构的弯曲、扭曲剪应力引起的主拉应力。

3 箱型桥梁断面优化设计相关问题分析

和常规的结构设计相比较，结构优化设计更具优越性、经济性。在优化设计期间，可供选择的设计变量有数个。既有大量工程实践表明，结构优化设计有益于强化计算过程的简洁性，减缩时间，降低人力资源的耗用量，最终获得效益更高的设计方案，为桥梁行业发展提供服务。但在具体优化设计中还存在着如下几点问题。

3.1 抗剪力滞后问题

具体是指于桥梁墙体上开框洞以后的横梁变形，促使柱中正应力呈抛物线状分布。剪力滞后的直接后果是桥梁腹板与翼板交接位置挠度与应力出现一定改变，进而增加桥梁失稳或破损等情况发生的风险，是形成安全问题的诱因。

3.2 抗弯刚度问题

抗弯承载力与梁高平方之间呈正相关性，所以当箱型截面梁抗弯承载力不符合工程设计要求时，可通过增加梁体高程的形式来提高梁的抗弯承载力。

3.3 抗扭刚度问题

箱型截面梁因无需规划横隔板，故而箱梁抗扭刚度大幅度降低的情况难以完全规避，外加梁体的整体荷载偏大，因而以上问题很易出现。

3.4 安全问题

当下，箱型桥梁在不同规模桥梁施工领域中均有较广泛应用，不同地质条件对桥梁的设计提出的要求存在差异，因而在具体设计实践中应考虑到箱型截面梁的安全性问题，要求其具备一定抗震、抗风性能，进而确保桥梁上车辆行驶过程的安全性。

3.5 舒适度问题

现代群体对交通运输期间的舒适度提出的要求不断提升，在优化设计箱型桥梁断面过程中，在考虑结构安全性的基础上，还需积极站在形成舒适度的视角上来，建设并完善舒适度评级体系【2】。

4 箱型桥梁断面优化设计

4.1 建立数学优化模型

图1为某工程项目的箱型桥梁的断面图，变量X1是顶板高程，X2、X3是对应的依次梁端部最小箱型截面的腹板高程、底板厚度，X4、X5分别是桥梁中部最大箱型截面的腹板高程、底板厚度，X6为箱型截面底面宽，X1～X5的初始值依次为22cm、13cm、20cm、53cm、40cm。依照相关规范规定的车道宽度最小值，考虑道路维护设备宽度形成的影响，设定X6的最小值为3.5m【3】。

图1 其钢筋混凝土箱型桥梁断面图示

约束条件会对工程的应力、变形及稳定性等形成影响，进而确保工程结构能在任意工况下均能符合设计要求，减少或规避安全事故。本工程建设时选用的是钢筋混凝土箱型桥梁，为满足其安稳运行需求，应对2项指标做出限制：（1）竖向挠度：本箱型桥梁具体跨度为16m+21m+16m，其中，边跨尺寸为16m，经测算其对应的挠度允许值为20mm；而中跨尺寸是21m，挠度允许值是30mm。（2）应力允许值：本工程选用的是C40混凝土，结合其强度标准值、设计值，对箱型桥梁进行ANSYS结构分析后，计算出混凝土所承受的最大压应力、拉应力依次为19.1MPa、1.71MPa。并确立如下目标函数【4】：

4.2 建立有限元模型

1）选择计算范围：本文研究期间把桥梁体积减半处理，等同于采用16m的边跨，中跨21m的一半建立有限元模。

2）确定模型材料参数：设计优化期间应用有限元分析软件ANSYS建立箱型桥梁模型并进行线性计算分析。梁体采用C40混凝土，其弹性模量为43.25MPa±10MPa，泊松比是0.3，密度为2 500kg/m3。

3）生成三维网格：针对本工程使用的混凝土材料，选用solid65单元予以模拟。该单位属于四边形8节点单元，有限元模型内共计有45 056个节点，30 734个单元。如图2是钢筋箱型桥梁有限元模型【5】。

4.3 计算结果分析

图2 某钢筋箱型桥梁有限元模型

1）对本箱型桥梁优化设计过程中，主要是对箱型桥梁的6个设计变量予以优化，分别是X1、X2、X3、X4、X5、X6，利用ANSYS内的乘子法予以计算，即采用二阶技术生成设计空间内极值点上的设计序列对应指标，在各个设计变量的2个极值位点上取值。对于整体评价而言，程序进行2n次循环测算，其中，n为对应的设计变量的数目。因为存在6个设计变量，故而乘子法内的n=6，等同于结构分析期间需进行62次循环，64次迭代。经64次迭代测算后，就能获得最优解，优化前后的尺寸比较情况见表1【6】。

表1 某桥梁截面优化前后的尺寸比较统计

对表1中优化前后检测到的数据进行分析后发现，经优化设计处理后，桥梁体积减少了10.41%，材料用方量减少51.450m3。综合分析后认为，经优化设计的箱型桥梁不仅满足了结构安全运行要求桥梁体积有减小，也实现了协助施工单位降低工程造价的目标。

2）应力变形是不同工程下的优化设计期间需重点分析的问题，本次是研究中针对重力、风荷载及车辆荷载同时存在的优化设计情况进行分析，检测到优化前第一、三助理及惟一大小依次为5.36MPa、-9.57MPa、9.107mm、优化后依次为6.19MPa、-9.88MPa、10.85mm。尽管优化后结构应力有增加，但其增幅并不显著，即应力大小依然在相关规范限定区间内，故而站在应力视角分析，该优化设计方案具有较高可行性。

5 结语

在对钢筋混凝土箱型桥梁优化设计期间，本文采用ANSYS有限元分析软件，通过调整箱梁截面的构件尺寸开展该项工作，对优化前后的应力及位移指标予以测算分析，并对比分析优化前后的结果。结果表明，虽然桥梁结构应力略有增加，但其依然符合相关规范要求，并且经优化后的桥梁整体体积见效，实现对工程成本的有效控制，表明了该优化设计方案的可行性，值得推广。