桥梁设计中控制截面选择方法研究

何晋 甘超龙

摘要：本文以控制截面选择方法为研究对象，探究桥梁设计过程中控制截面选择方法，首先简要分析了桥梁设计时选择控制截面的意义，其次从选取模型、初始截面的选取、选择控制截面、设计区域、优化设计步骤以及活荷载布置多面对控制截面选择方法进行能探讨，分析研究可知，桥梁设计中控制截面选择方法能够针对性的提高桥梁设计质量，对促进桥梁事业的发展有重要作用。

关键词：桥梁设计；截面；控制；选择；方法

0.引言

在桥梁设计过程中，截面设计选择的方法正确与否，在一定的程度上直接影响到桥梁整体性能的安全性与稳定性，因此，在桥梁设计时，必须要针对性的选择控制截面的方法，保证截面的设计能满足设计要求，从而给后续桥梁施工提供可靠的资料。

1.选择控制截面的意义

桥梁是由很多结构部件所组成，为了可以保证桥梁顺利施工，配件设计必须要科学合理，同时还应该严格控制截面尺寸，且及时检查结构中所存在不利的内力，将其作为主要的设计依据。从该角度出发，选择控制截面的意义重大。必须针对性的选择控制截面方法从而确保桥梁的安全性及稳定性。

2.桥梁设计中控制截面的选择方法

2.1选取模型

确定模型的截面尺寸，在設计环节是非常重要的一项内容，故而，在设计阶段要按照实际的需求做好模型的设计，通过相关的文献资料查阅可知，在设计上本文主要以渐进优化的算法对控制截面的尺寸进行确定，具体的操作要点如下：

截面离散为多个单元结构，设置的基本原则就是尽量的缩小单元网格，从而可以使得结果更加的准确，但是，在操作上需要特别注意网格的划分以及模型建立的内容控制，保证优化阶段能够对模型实施反复计算，在设计上，初始状态的模型它相较于截面控制优化模型存在的关系度很大。目前对于截面优化的方式主要就是通过平面应力单元法与三维实体单元法来进行的。通过经验总结发现，前者操作相对简单，但是只能使用在较小范围内，而后者计算过程较为复杂，但是可以应用在多种状况之下。在最终求解的过程中，一旦存在棋盘效应，则表示实体和空心材料存在交替的关系，此时，可以将其看成一个高阶单元，使其满足最初的设计目标。

2.2初始截面的选取

初始截面大小以及形状是整个优化模型首要考虑的因素。通常来说，以设计角度对此时截面的选择反洗，可以认定为选择区域大时，就会产生遗漏的情况故而，需要对其优化，以实现最优的优化结构，保证初始截面处于合理性和科学性。如果选择的区域比较小，则无法保障最终结果；如果优化区域太大，则会导致最终的结果不具较强的经济性。在截面形状选择的过程中，如果采取不同的初始截面划分方式，则会存在有不同单元数量和形状的情况，对于最终的优化结果也产生极为不良的影响。如下图1即为平面应力单元实施悬臂梁的优化。

在初始截面选择上，若取值存在差异性，那么优化结果会出现很大的偏差，很多设计者在支撑体系优化以及组织优化时，虽然考虑了这些内容，但是，没有从支撑的角度分析其取值，且矩形截面采取的优化处理方式不对，那么预留的单元数量会存在很大的差异性。

2.3选择控制截面

通过强化的优化设计手段，能够切实的将截面的优化效果提高，使其能够满足最终的优化设计要求，例如，可以将内力中的不利截面作为定点，从基础对其优化，且通过可视化角度对其调整后，将其的形状结构改善；假如桥梁受力结构它有着较多的复杂性，在设计时，需要从整体结构出发，在确定截面的结构形式上，对其进行优化同时还要比对所以截面的结果，进而可以确定最优化的设计方案。通过工程实践经验总结发现，在结构设计中，可以将矩形截面确定为初始设计截面，具体优化的方法为：从整体优化开始逐渐到局部优化，然后再返回到整体结构的优化，首先需要根据需要建设有限元模型，然后从整体角度进行分析；随后选择控制截面，进行截面性质优化，此时可以有效的识别出其所存在的无效单元或者低效单元；整体结构上除掉上述两个单元，然后对剩余结构部分进行整体性的优化以得出最佳优化方式，确定合理的截面尺寸。

2.4设计区域及优化设计步骤

2.4.1设计区域。一般情况下，梁断面的组成形式，基本和混凝土结构形式一样，且很多支撑结构体系是较为难明确的，例如常见的腹板结构，故而，在桥梁结构设计过程中，需要明确腹板结构的结构，同时采取有效的截面优化手段对其设计，以保证该区域的设计效果满足实践需求。在模型优化设计的过程中，在对该范围内进行单元划分的过程中，应该尽可能的选择使用简单的形式，以全面提升效率、节约时间，还需要给予设计范围内钢材特性，以保证模型的实施更加的可行。

2.4.2设计步骤。在实施桥梁控制截面优化的过程中，通常包含了如下的工序：首先需要对整个截面进行拓扑优化设计；其次，进行截面尺寸优化。在具体实施的过程中，通过有限元分析软件分析矩形梁结构，以明确顶板与底板支撑结构的形状与角度，最终选择符合要求强度与刚度要求的矩形梁结构，进而实现整体的优化设计，以确定整个桥梁中应用最优化支撑杆件结构。

2.5活荷载的布置

恒载就是在桥梁使用的过程中，所承载的固定载荷，设计过程中需进行综合的分析和考虑，在确定内力的过程中，恒载必须满布。竖向活载并不是固定不变的，选择不同的形式就会存在不同内力形式。因此，在实践中，要考虑到不利布置来进行内力计算，以确定截面所存在的最不利内力。将其与恒载、水平荷载比较，数值是非常小的，这就不要考虑活荷载的布置，只是进行内力计算的应用，以降低设计计算的工作量。如果竖向活载参数较大，此时就应该考虑该载荷的分布情况。设计过程中可以让梁端存在塑性铰，在进行梁体结构的考虑分析中来确定塑性力分布状态，一般是来降低支座弯矩，并且减少配筋数。对于现浇支撑梁结构体系来说，支座弯矩调幅系数设定为0.8-0.9。以整体装配梁体结构来说，如果在施工的过程中存在焊接不牢固或者接缝比较大的情况，节点位置极易出现变形的问题，梁端弯矩值会比较低，此时可以进行支座弯矩调幅系数的降低，在该过程之后，应该加大梁跨中弯矩的确定。支座塑性铰之后，就不会存在截面承载性能不足的情况。跨中弯矩需要适当的增加平衡条件。塑性调幅就是为了可以有效的调整内部载荷作用力，所以应该在组合之前进行该工作，并且要综合考虑到水平荷载的内力组合形式。

3.结束语

桥梁结构形式多样，设计复杂，任何一个环节出现问题都会导致整体性能难以满足交通运行需要，甚至引发交通事故。这就需要在设计的过程中，使用渐进优化算法，在有限元模型的基础上确定截面最优化设计方案，从而可以全面提升设计质量，以更好的促进我国桥梁事业的发展和进步，实现经济的腾飞和进步。

【参考文献】

[1]贾山，邓子军.龙王渡大桥荷载试验方法研究[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（04）：82-87

[2]罗志昆.桥梁静载试验的研究与总结[J].今日科苑，2012（06）：122