悬臂浇筑预应力混凝土连续梁设计研究

李井辉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

采用悬臂浇筑施工的大跨径预应力混凝土连续箱梁桥适用于陆域不中断桥下交通的情况下跨越既有线路及构造物、山区跨越河流深谷、内河或海域跨越航道等场合；随着我国桥梁技术的飞速发展，采用悬臂浇筑施工的大跨径预应力混凝土连续箱梁桥的设计、施工技术越来越成熟，该桥型已经成为我国桥梁建设广泛应用的桥型之一。

悬臂浇筑施工预应力混凝土连续箱梁桥上部箱梁设计主要包含：预应力钢束合理配置、钢束施工图绘制、主梁节段钢筋图绘制等。对于大跨径悬浇梁，合理的配置预应力钢束需要对上百根钢束反复调整试算，计算工作量大；接下来的钢束图、钢筋图绘制要面对上百根呈空间曲线状的钢束、十几个悬浇节段，也是一项繁重的劳动。如何能够使设计人员从繁重的计算绘图工作中解脱出来、提高工作效率、保证设计质量，显得尤为重要；本文以六枝至安龙高速公路上跨径60 m+110 m+60 m的石糯尾大桥为例介绍一套适用的悬浇梁计算及自动绘图方法。

1 预应力混凝土悬浇箱梁设计流程

悬臂浇筑施工预应力混凝土连续箱梁桥设计流程图如图1所示。

图1 石糯尾大桥设计流程图

2 主梁几何尺寸拟定、建模及配置钢束

2.1 主梁几何尺寸拟定及参数化建模

悬浇梁几何尺寸包括：纵桥向主梁几何尺寸、横桥向截面细部尺寸；纵桥向主梁几何尺寸包括：边跨与中跨比值、跨中截面高跨比、支点截面高跨比、合拢段长度、曲线变高段线形等；横桥向截面细部尺寸包括：腹板间距、顶板厚度、底板厚度、腹板厚度、悬臂板厚度、承托尺寸等。本桥设计开展初期，首先搜集已建类似跨径的桥梁资料，对其几何尺寸进行统计对比分析，并结合设计规范来拟定本桥几何尺寸，表1列出了设计初期本桥拟定的几项几何尺寸。

表1 悬浇梁几何构造尺寸拟定表

接下来利用有限元分析软件“桥梁博士”提供的参数化建模功能，把拟定的悬浇梁几何尺寸输入到有限元计算软件中。参数化建模与传统的截面差值建模方法相比优势在于：建模速度快、可以适应截面尺寸的任何改动；截面尺寸后期调整时仅需修改参数数值即可，不需要对单元进行逐个修改，特别适用于计算模型的反复微调，如：“主梁梁高变化曲线由2次抛物线调为1.8次抛物线、腹板变厚段调整等”。

2.2 悬浇箱梁优化配置钢束

在进行悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥设计时，预应力钢束配置是否合理直接影响桥梁结构受力及使用性能，但合理地布置预应力钢束需要对钢束进行反复调整试算，计算工作量大，且需要设计者有较丰富的设计经验；为此可以将数学优化方法应用于悬浇梁配束上，利用AutoCAD二次开发工具包Object ARX编制出优化配置钢束程序来解决传统配束计算方法的不足。

优化配束程序以预加力为优化对象、选择单元左右截面应力限值作为约束条件、全桥钢束用量作为目标函数建立数学优化模型进行全桥钢束用量最小的优化计算。程序模块由四部分组成：前处理数据模块、平面杆系有限元计算模块、线性规划求解模块、交互处理结果数据模块。程序在计算钢束用量时可以考虑非线性温差自应力及预应力钢束次内力的影响，弥补了商业计算软件在计算钢束用量时无法考虑非线性温差自应力及预应力钢束次内力影响的不足。下面以石糯尾大桥为例，介绍下优化配束过程。

(1)利用桥梁博士软件建立悬浇梁计算模型并生成脚本文件。

(2)运行Auto cad，执行命令gsyh，输入控制应力：最小拉应力1.0 MPa、最大压应力13.5 MPa；主梁钢束根数优化结果见图2；将钢束优化等代内力结果文件qiaobo.txt中的内力结果复制到桥梁博士脚本文件中，计算并查看计算结果，如图3～图4。从应力图形可以看出，优化出的结果非常合理。

图3 优化结果(短期组合最小拉应力)

图4 优化结果(短暂状况最大压应力)

(3)根据优化出的各截面钢束根数，布置悬浇顶板束、边跨顶底板合龙束、中跨顶底板合龙束；将钢束文件以DXF格式保存并导入桥梁博士软件中执行验算。

至此，调束流程结束，基本上一次就满足验算要求，稍加几次调整就可达到非常满意的应力效果。

3 悬浇箱梁钢束图、钢筋图绘制

现行商业绘图软件不足之处。

(1)绘图软件与计算软件不关联，计算软件中已经存在的“箱梁构造信息、钢束数据信息等”无法被利用，绘图软件需要将其重新输入，存在大量重复工作。

(2)预应力钢束线形为复杂的空间曲线，绘图时需要输入庞大的钢束数据信息，工作量并未减少。

(3)本院积累多年的设计经验、设计习惯等在商业软件中无法反映，后期需要对绘制的图纸进行大量修改。

为此以Auto CAD为平台，利用CAD二次开发工具包Object ARX编制了悬浇梁绘图模块，本模块可以利用计算模型中主梁几何尺寸、钢束竖弯等数据信息，减少大量重复工作；模块内封装了我院的设计经验，结合CAD平台下的钢束平弯信息，即可自动生成满足我院要求的工程图纸。绘图过程如下：

(1)在Auto cad命令行输入gsht，启动绘图模块，如图5。

图5 钢束绘制模块图

(2)点击“断面钢束信息”布置断面钢束，如图6；点击“生成平弯信息”，在CAD中绘出钢束平弯图形。

图6 钢束断面布置

(3)“检查钢束起始点”可以检查钢束平弯图形起始点与桥梁博士软件中的竖弯起始点是否一致，如一致，点击“绘制施工图纸”完成钢束图、钢筋图绘图。

4 结 论

本文介绍的预应力混凝土悬浇梁优化配束及绘图程序有如下特点。

(1)编制的优化配束程序计算出的预加力优化结果非常合理，利用优化出的钢束结果可以很方便的配置出悬浇梁钢束；

(2)编制的绘图模块封装了本单位的设计习惯，通过读取有限元计算模型中的数据信息、结合AutoCAD中绘出的钢束平弯图形信息，可以绘制出钢束、钢筋图纸，过程简洁、灵活、合理，更符合本单位的出图习惯。