桥梁结构横桥向等效静阵风荷载计算程序设计

2023-11-01杜松何静

交通科技 2023年5期

杜松何静

(重庆市交通工程质量检测有限公司重庆 400799)

现阶段桥梁结构横桥向等效静阵风荷载按照JTG/T 3360-01-2018 《公路桥梁抗风设计规范》规定进行计算[1],计算过程需要不断查阅图纸与规范,且变截面结构的横桥向等效静阵风荷载计算量十分巨大,整个计算过程相当繁琐。为了降低工程人员计算难度,提高计算效率,规范针对主梁构件基准高度、桥墩构件基准高度等提出了简化计算方法。本文针对横桥向等效静阵风荷载简化计算方法的费时与不足,提出了针对各单元实际构件尺寸及实际地形高度的横桥向等效静阵风荷载精细化计算方法,并利用Python语言、PySide2和midas Civil计算软件进行了交互式程序设计开发。

1 程序设计总流程

首先,用户应将需进行横桥向等效静阵风荷载计算的midas Civil模型导出为MCT文件;进入程序后,选择需要计算的MCT文件,程序处理MCT文件获取单位、节点、单元、截面、约束等参数;输入风速参数信息,选择地表类别;输入地面信息,选择地面或水面高程信息输入;构件信息定义检查:检查程序定义midas Civil单元为梁、墩/塔、索、拱是否正确,若发现错误便进行修正;最后导出成果,包括横桥向等效静阵风荷载MCT文件成果。程序设计总流程图见图1。

2 程序详细设计与开发

2.1 MCT文件载入及参数提取

程序针对具体桥梁结构进行横桥向等效静阵风荷载分析,则需要提供具体桥梁结构信息,midas Civil模型中包含桥梁结构中的结构尺寸、截面尺寸,将midas Civil计算模型中包含的结构信息进行提取,而后输入风荷载计算相关参数,即可针对对象完成横桥向等效静阵风荷载计算。MCT文件载入及参数提取版块详细设计与开发流程图见图2。MCT文件是midas Civil按照固定格式编排的midas Civil模型数据文件,其中包含了用户计算模型的所有信息,其记录信息的方式为文本,编码格式采用ANSI编码。

图2 载入MCT文件及数据整合流程图

获取到MCT文本后,将其封装为以行为单元的元组,对元组各行进行遍历以获取关键参数。所需提取的关键参数包括单位、节点、单元、截面、约束信息数据。以提取节点数据为例:MCT节点段落包含信息为所有节点号及该节点X、Y、Z坐标值。将MCT文本元组传入函数,遍历行捕获“*NODE ; Nodes ”单位段落头文本,该段落头至空字符行“ ”之间,除说明信息外即为节点信息;跳过说明文件后,将空字符行“ ”之前各行数据规整去除首尾空字符后添加至节点列表;然后将节点列表各行字符串以“,”分割为列表,为方便后续坐标值做计算,将列表中X、Y、Z文本值强转为浮点型。此时列表作为返回值内容包括节点号、X、Y、Z值。程序设计中各功能以不同函数进行封装,提取节点数据函数代码如下。

def list_nodes(doc_mct):

temp_list_nodes=[]

i=0

while True:

if doc_mct[i] == '*NODE;

Nodes ':

j=i+2

while doc_mct[j] != ' ':

line=doc_mct[j]

line=line.strip()

temp_list_nodes.append(line)

j+=1

break

i+=1

k=0

while k

temp_list_nodes[k]=temp_list_nodes[k].split(", ")

i=1

while i<4:

temp_list_nodes[k][i]=float(temp_list_nodes[k][i])

i+=1

k+=1

return temp_list_nodes

该程序图形用户界面设计采用PySide2中TabWigdet搭建底层框架,MCT文件载入及参数提取版块设计图见图3。

图3 MCT文件载入界面设计图

在程序主函数下,首先将QApplication实例化,导入Ui窗口,将Ui主窗口显示并进入QApplication的事件处理循环,接收用户的输入事件,并且分配给相应的对象去处理,并插入该部分事件响应联系函数。程序主函数该部分代码如下。

if__name__ == '__main__':

app = QApplication(sys.argv)

ui = QUiLoader().load('风荷载设计Ui文件.ui')

ui.pushButton.clicked.connect(tab_1.open_mct) # “选择文件”按钮

ui.show()

sys.exit(app.exec_())

2.2 风速参数信息输入

风速参数信息输入版块内容包括桥址选取,关联该地区重现期10年及100年的设计风速,确定桥梁抗风风险区域;选择地表类别以确定地表粗糙度系数α0、地表粗糙高度z0、基本风速地表类别转换系数kc;完成桥梁设计基本风速计算。风速参数信息输入版块图形化界面设计图见图4。

图4 风速参数信息输入版块界面设计图

根据JTG/T 3360-01-2018 《公路桥梁抗风设计规范》,桥梁的抗风设计按照W1风作用水平和W2风作用水平确定。根据JTG/T 3360-01-2018 《公路桥梁抗风设计规范》附录A.3,将各站台10年及100年重现期风速值信息录入字典(dict),放入主函数下。“风速值”文本框内容根据选择的桥址自动填入,亦可自定义输入风速值。当站台选择或不同重现期风速值输入完成后,程序即可根据基本风速值自动确定桥梁抗风风险区域及抗风风险系数kf;地表选择完成后,程序可确定参数地表粗糙度系数α0、地表粗糙高度z0、基本风速地表类别转换系数kc的取值,同时根据式Us10=kcU10计算得出不同重现期桥梁设计基本风速值[2]。

2.3 地面线信息输入

桥梁结构所在典型桥址为江面或峡谷,江面地面信息为等高水面,峡谷地面高程则随里程桩号而变化,且部分峡谷中包括河流。关于地形影响之一就是构件中各单元基准高度Z。关于桥梁各构件基准高度Z,本文将以midas Civil各单元为基准,以各单元两端实际距离地面高度为其基准高度进行横桥向等效静阵风荷载理论计算。所以为了得到各个单元实际距离地面高度,需要输入实际地面线和水面高程。地面信息输入版块图形化界面设计图见图5。

图5 风速参数信息输入版块界面设计图

地面线信息输入完成后,需要将该界面数据进行整合。通常,里程桩号是以百米桩号“K19+420.000”的格式表示,因此对于里程桩号,需要将其“K”“+”“ZK”等符号去除保留数字以进行相关运算。获得桥址处地面线或水位之后,即可对midas Civil模型单元进行构件基准高度计算。

2.4 构件信息定义

不同构件的横桥向等效静阵风荷载计算式及相关参数取值也不同[3]。因此,需将结构中单元进行分类,针对不同类型的单元对其选择不同的计算参数及公式。构件信息定义版块图形化界面设计图见图6。

图6 构件信息定义版块界面设计图

为提高程序可操作性,我们将该页面中所有表格赋予双击打开子单元格的功能,并将子单元格赋予右键产生子菜单用于复制粘贴选项,子单元格及右键子菜单示意图见图7;在该页面建立结构单元三维图,进入该界面前程序会对各单元进行初步构件类型判断,并将各单元构件类型输入构件信息定义表格中,且在模型窗口以不同的颜色赋予不同类型的单元以避免错误。

图7 子单元格及右键子菜单示意图

如此计算得各单元针对实际地形的构件基准高度、主梁水平加载长度及墩塔结构高度后,进而按照JTG/T 3360-01-2018 《公路桥梁抗风设计规范》式(6.2.6-1)、式(5.2.1)、式(5.3.1)、式(5.4.1)计算构件基准高度处的设计基准风速Ud、等效静阵风风速Ug[4]。

2.5 等效静阵风荷载计算及成果输出

对于主梁单元,横桥向风作用下主梁单位长度上的横桥向等效静阵风荷载Fg按JTG/T 3360-01-2018 《公路桥梁抗风设计规范》式(5.3.1)计算。通常,在桥梁主梁建模时,为保证midas Civil模型主梁竖曲线符合实际情况,对于变截面主梁采用截面偏心设置为上部的形式来满足该要求。而在横桥向等效静阵风荷载以梁单元荷载在结构模型中加载时,加载位置为单元轴线,如此便使得在结构上的加载位置位于桥面而非形心,由此便产生了偏心距为截面形心至桥面高度的附加扭矩,因此该附加扭矩可以通过简化为荷载大小乘以0.5倍截面高度计算,并以风荷载反方向对节点进行扭矩加载以抵消该附加扭矩。

墩(塔)单元、索单元、拱单元信息处理内容与梁单元无较大差异,因此不再展开叙述。

成果输出内容包括单位信息、横桥向等效静阵风荷载信息、荷载组、荷载工况、风荷载关键信息文本。横桥向等效静阵风荷载计算基本单位为N/m,因此力单位与长度单位分别选择N、m。横桥向等效静阵风荷载应按照W1风作用水平和W2风作用水平进行荷载工况分类,且将2种不同风作用水平中的荷载按不同荷载组进行分类。midas Civil软件静力荷载工况包括了与车辆活荷载同时作用的风荷载(WL)和风荷载(W),在荷载组合时,软件能根据不同的荷载工况自动进行荷载组合,因此W1风作用水平选择车辆活荷载同时作用的风荷载(WL)类型,W2风作用水平选择风荷载(W)类型。横桥向等效静阵风荷载按照梁单元荷载(单元)中梯形荷载类型添加到各单元上,荷载方向采用整体坐标系。

保存文件使用QFileDialog静态方法getSaveFileName,文件保存类型同样为MCT文件,该文件使用open方法写入模式,将单位信息、横桥向等效静阵风荷载信息、荷载组、荷载类型按照midas Civil MCT文本该部分内容固定格式写入,等效静阵风荷载信息包括各个构件i端及j端横桥向等效静阵风荷载值、加载方向、其属于的荷载组及荷载类型。

3 程序测试与应用

以新疆乌鲁木齐某在建连续刚构桥为例对程序进行实际应用,该桥梁结构为连续梁-刚构形式,跨径布置采用70 m+100 m+70 m+100 m+70 m不等跨形式进行布置,主墩最高高度达142 m。本桥平曲线平面位于半径R=1 950 m右偏圆曲线接A=660 m缓和曲线接直线段上,其中主桥桩号ZK54+660.000-ZK54+823.780为A=660 m的缓和曲线段,ZK54+823.780-ZK55+074.000为直线段。桥址区位于构造侵蚀中山沟谷、山麓斜坡地貌区,地形相对起伏较大,山顶多呈脊状,沟谷切割较深,为“V”形谷,主梁设计高程与地面高程最大差值达148.41 m。其立面布置图见图8。

图8 主桥立面布置图(单位:m)

首先将该桥midas Civil计算模型导出MCT文件,通过本文设计程序载入MCT文件,选择桥址信息、选择地表类别、输入地面信息、检查构件类别后导出MCT文件,将MCT文件通过midas Civil MCT命令窗口加载到模型上,文件加载后,静力荷载工况中导入了风荷载W1(civil wind loading)与风荷载W2(civil wind loading)2种工况,将横桥向等效静阵风荷载按照梁单元荷载添加到结构上,且横桥向等效静阵风荷载按W1风作用水平和W2风作用水平分为2种荷载组。以W1风作用水平为例,W1风作用水平下结构上的横桥向等效静阵风荷载加载图见图9。

图9 W1风作用水平下结构风荷载(单位:kN/m)

在上述刚构桥横桥向等效静阵风荷载计算过程中,计算流程用时见表1。同时针对该桥梁,本文以传统自主计算与程序计算时间作对比,计算时间累计对比图见图10;以W2风作用水平下主梁横桥向最大负弯矩为例,对比二者计算结果上的差异,最大负弯矩对比图见图11。

表1 程序计算刚构桥流程表 min

图10 计算时间累计对比图

图11 W2风作用水平下Z方向最大负弯矩对比图

由图10可以看出,程序计算刚构桥横桥向等效静阵风荷载效率相比自主计算提高了16.6倍。且自主计算过程需要反复查阅图纸中桥梁各设计参数、计算模型中构件尺寸与规范中横桥向等效静阵风荷载相关计算式及参数,计算过程十分繁琐,而使用程序计算横桥向等效静阵风荷载不需要翻阅规范,所有规范中计算参数与基本风速值数据已存入计算程序中,相比自主计算,程序计算横桥向等效静阵风荷载便捷性与效率得到了极大提升。