桁式钢拱架在AutoCAD中的自动化绘制方法

2022-05-09韩洪举张基进周水兴

公路交通技术 2022年2期

韩洪举，张基进，周水兴

(1.贵州交通建设集团有限公司，贵阳 550003； 2.贵州路桥集团有限公司，贵阳 550003；3.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

混凝土拱桥是山区桥梁常用的结构型式，当两岸地形受限时可采用拱架现浇法施工[1-3]。工程中常见的钢拱架类型有：贝雷梁钢拱架、六四军用梁钢拱架、常备式钢拱架等[4-6]。国内围绕钢拱架线形、拱架与拱圈联合作用的分析研究较多[4-7]，但对钢拱架自动化设计研究相对较少。虽然工程中已广泛使用AutoCAD制图，但由于缺乏专用程序，设计效率低，一旦需要修改，必须重新计算拱架坐标、重新绘制拱架，致使技术人员将大量时间花费在拱架绘图上。

目前，AutoCAD几乎对外暴露了所有对象，包括直线、圆弧等图形实体对象，层、块等组织结构对象，为AutoCAD的二次开发提供了广阔空间[8]。AutoCAD常见二次开发工具包括Auto LISP/Visual LISP、基于ActiveX Automation 技术的VB/VBA、采用C++语言的Object ARX技术、基于微软.Net技术的VB.Net和C#语言开发[9-10]。利用ActiveX所开放的每一个对象和属性，用户可按照自己的意图编程，在桥梁设计[10-11]、批量制图[12]、地籍图自动修正[13]、建筑墙体命令开发[14]等方面得到广泛应用。

本文针对新研制的一种桁式钢拱架，根据钢拱架构造，利用几何方法求出标准段数量、销轴中心坐标、水平倾角及拱顶非标准段长度，作为AutoCAD中绘制钢拱架的设计参数，基于ActiveX Automation 技术的VBA程序语言编制了钢拱架自动绘制程序，实现了钢拱架的自动化绘图。

1 钢拱架构造

新研制的桁式钢拱架由拱脚段、标准段、拱顶段、调节杆(未示意)等4部分组成，如图1所示。其中，标准段分6 m和4 m两种，外形上类似于贝雷梁片，但上弦杆略短于下弦杆。下弦杆直接用销轴连接，上弦杆用可调节的连接杆以适应不同矢跨比的要求，但连接杆也用销轴连接。这种拱架构造既有较强的刚度，又能满足不同跨径、不同矢高的混凝土拱桥拱圈线形要求。

2 钢拱架坐标及标准段数计算

2.1 钢拱架设计基本要求

钢拱架设计时应遵循以下3点要求：

(a) 拱脚段

(b) 6 m标准段

1) 拱脚段应能根据地形和拱架构造进行调整；

2) 优先使用6 m标准段，其次使用4 m标准段；

3) 拱架上弦杆顶缘与拱圈拱腹间的间距δ可以调整，如图2所示，以适应拱圈线形。

单位：mm

2.2 钢拱架下弦中心线坐标计算

图3 拱圈拱腹与拱架下弦中心线坐标

(1)

式中：d为拱圈拱腹至拱架下弦杆中心的长度，如图4所示，对文中的桁式钢拱架，d=(2.25+0.25+δ)m；φi为拱腹相邻2点的水平倾角。

图4 拱架下弦杆中心线坐标计算

利用式(1)，可计算出钢拱架下弦中心的所有节点坐标。连接各节点坐标，即为钢拱架下弦中心线，如图3所示。

2.3 拱架标准段数的确定

工程中钢拱架常对称布置，只需根据半跨拱架下弦中心线弧长来确定标准段数。扣除拱脚段所对应的弧长，得到半跨拱架剩余弧长S。按照钢拱架设计基本要求2)，先估算6 m标准段数量m6=[S/6]及对应弧长，则剩余弧长ΔS=S-6×m6；再根据剩余弧长ΔS，确定是否需要设4 m标准段还是直接为拱顶段。对此，存在以下几种可能：

1) 4.0 m<ΔS<6.0 m，布置1个4 m标准段，m4=1，剩余部分为拱顶段；

2) ΔS刚好等于2.0 m或3.0 m，则拱顶段为4 m或6 m标准段；

3) ΔS>3.0 m，由于半跨超过3.0 m，因此拱顶可设1个6 m标准段，两侧设连接杆；

4) 2.0 m<ΔS<3.0 m，拱顶设4 m标准段，两侧设连接杆；

5) 对于数3)、4)两种情况，也可不设标准段，直接设拱顶段，只是拱顶段长度较大。

2.4 钢拱架下弦杆销轴中心坐标计算

根据钢拱架设计基本要求1)，设铰轴中心A距拱圈起拱线的水平和竖向距离分别为a和b，如图3所示，则A点坐标为(a，-b)。由图1(a)可知，拱铰斜腹杆AB长度为2.295 m。以A点为圆心，以AB为半径，按图5所示分别建立圆和拱架下弦中心线相邻2点的直线方程，得到图3中的交点B。B点既是拱架拱脚段的定位坐标，也是后续标准段左端销轴中心的坐标和在AutoCAD中的插入点坐标。同理，以B点为圆心，以标准段铰轴中心长度6 m或4 m为半径，计算出各标准段的销轴中心坐标。