桥梁悬臂预应力设计计算研究

摘  要：本文研究了桥梁悬臂预应力设计计算自动化流程等内容，研究表明其自动化流程可分为箱梁断面的坐标计算、钢筋配置坐标计算、箱梁及钢筋配置的3D模型建立、产生ABI预应力分析输入档、预应力分析后处理检核作业及各节点剖面施工图绘制等6项作业流程，以期为桥梁悬臂预应力设计提供参考。

关键词：桥梁;悬臂;预应力;设计;计算

中图分类号：U445    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）09-0000-00

1箱梁节块的断面计算

1.1 箱梁断面型式

场铸节块悬臂工法的单孔箱梁断面，其梁深随着离墩柱的远近，由浅至深，呈抛物线形变化;此间，翼板宽厚、腹板宽度皆为常数，仅有底板厚度随箱梁深浅而有厚薄变化，亦即底板上缘及下缘为2条曲率相同的抛物线，桥面宽一般皆为等宽，仅在设置警车弯时，在局部路段放大桥面宽，或在上、下匣道与主线段交界处，采用局部路段的桥面宽渐变处理方式，引导车流驶入（驶离）主线段[1]。

1.2建立web-based application

计算及储存箱梁断面资料部份的断面计算系放置于 ASP 网页 Client 端计算，为计算箱梁断面各折点的坐标，须设定参数，以期各节块施作在节点上，计算其该节点的断面大小、性质及坐标，其计算及储存流程如下：

（1）先输入该施工单元的断面参数。

（2）再输入各混凝土节块的节点位于Z轴的坐标。

（3）先在Client端计算出渐变段各节点的梁深及底板厚度。

（4）使用者确认梁深及底板厚度无误后，再进一步将前3项断面参数、节点位置、梁深及底板厚度等资料传至server端网页，在server端计算断面上各折点的3D坐标。

（5）将各节点断面的3D坐标，储存至Server端数据库，并统一管理不同标案、不同单元计算的计算资料。

2钢筋配置的坐标计算

2.1预应力钢筋配置介绍

场铸节块悬臂工法的钢筋配置分为顶板钢筋及底板钢筋。顶板钢筋配置于箱型梁顶版（主钢筋），当工作车于桥墩柱头向外延伸施筑混凝土节块时，顶板钢筋为承施工中悬臂状态下箱梁自重及工作车、钢模等其他荷重。当桥梁完成后，其外加载重、活载重及温度变化等作用力，亦由顶板钢筋承担[2]。

底版钢筋（附加钢筋）配置于端跨外侧及中间跨梁中央底部的腹版或底版上，其作用为当桥梁闭合呈连续状态时，承担部分的梁体自重、活荷重，温度变化及外加载重等。

现场施工时，需针对施工条件调整钢筋位置，一般为固定工作车，于箱梁顶板设置预留孔，故顶板钢筋X坐标需重新调整，并配合设计图所订的钢筋座标，以每米为单位取一坐标值，供现场施工人员以调整并固定套管位置，将预应力钢筋配置于正确位置。

2.2建立web-based application

本部份的3D钢筋坐标计算系放置于ASP网页Client端，其计算及储存流程如下：

（1）使用者先输入该施工单元的基本资料。

（2）再输入ZY及XZ平面控制点数及依序输入各控制点的（Z、Y）及（X、Z）坐标及线形（分为正曲率二次抛物线、负曲率二次抛物线或直线）。

（3）将该施工单元的基本资料、XY平面控制点数、XZ平面控制点数及各控制点坐标等资料传至server端网页，在server端计算该钢筋上每单位长度的3D坐标。

（4）將每单位长度钢筋的3D坐标，储存至Server端数据库，并统一管理不同标案、不同单元计算的计算资料。

3建立箱梁及钢筋配置的3D模型

有关桥梁及钢筋配置的3D模型建立流程可分成如下3部分：

（1）先由AutoCADVBA读取各混凝土节块的节点箱梁断面数据库，并将各混凝土箱梁断面采用Polyline物件依里程位置绘制于AutoCAD3D模型空间，此时仅有各混凝土节点切面框线。

（2）因本研究需展示钢筋配置3D模型，故将混凝土箱梁的混凝土实体部份挖空，故将箱梁外缘及内缘分别以3DFace物件的贴面方式表达其箱梁3D模型。

（3）再由AutoCADVBA读取预应力钢筋3D坐标数据库，并将预应力钢筋3D坐标转换为AutoCAD3D模型空间的相对坐标，此时绘制预应力钢筋以直径8cm实体套管表示，以便于检核钢筋配置是否错误，其建立方式先产生钢筋曲线路径物件pline3DObj及每单位长度的面域物件regionObj，最后采用沿pline3DObj路径及regionObj面域的挤出实体物件函式建立实体预应力钢筋模型。

4产生ABI预应力分析输入档

4.1施工阶段结构模型

桥梁上部结构的箱梁，依施工顺序可分为悬臂延伸阶段、中间跨闭合节块施筑及边跨闭合节块施筑等三阶段，预应力桥梁分析时，系将结构形式模拟成一平面构架系统，定义整体构架的节点（node）及杆件元素（element）。由于场铸悬臂工法的上部结构纵向线形为渐变梁深，依据各节点断面形心位置的分析模式确定其为拱型结构。另桥墩与上部结构采用刚接，温度为主要的控制荷重，边界条件以弹性基础模拟[3]。

4.2 ABI预应力分析程序输入档建立流程

本节探讨的自动ABI预应力分析输入档系是利用ExcelVBA巨集程序依序产生ABI输入档中各段落的文字档，其建立流程如下：

（1）其中有关材料性质设定、Offset设定、工作车性质设定是系统固定值。

（2）另节点设置、断面性质设定、杆件元素设置及钢筋坐标设定等为段落输入档内容，是由读取箱梁断面及预应力钢筋坐标等数据库而产生。

（3）各施工阶段作业排程使用Excel工作表安其施工步骤及各阶段施工天数，再由ExcelVBA读取Excel工作活页资料产生此各段落的ABI输入档内容。

（4）最后有关输出内容是在ABI输入档中用固定单字表示，如有输出变位则以DISPLACE关键字表示、如要输出预拱值则以CAMBER表示。

5 ABI预应力分析后处理检核作业

预应力分析后处理计算成果。大致可分为混凝土应力检核、预应力钢筋有效预应力检核、预拱值计算及前置量计算等内容，其均可由ExcelVBA整合开发环境撰写巨集程序提取ABI预应力分析输出档资料，并将资料写入Excel活页的储存格中，再据以作二次计算及检核等工作，另预应力钢筋3D坐标表系由ExcelVBA巨集程序直接读取MSAccess预应力钢筋3D坐标数据库，写入Excel活页而产生的钢筋坐标表。

6箱梁节块剖面图绘制

该绘制流程可分成3部分：

（1）先由AutoCADVBA读取各箱梁节点断面资料，并将各箱梁节点断面绘制于AutoCAD2D模型空间。

（2）再读取预应力钢筋3D坐标数据库，并筛选各箱梁断面所在里程位置通过的预应力钢筋，将其预应力钢筋3D坐标转换为AutoCAD模型空间的相对坐标绘制于所属的箱梁断面上。

（3）最后再将钢筋间的相对位置予以标注尺寸。

自动绘制施工剖面图可提升绘图精度及速度，如有其他需调整出图内容、出图比例、标注垂直向尺寸、施工说明及套用图框等工作，再辅以人工作业完成，由此可使施工图内容趋于完善。

7总结

计算预应力梁时，首先考虑二个部分，一个是静定结构下所产生的力矩以MoF表示，另一是施预应力所引起的静不定力矩以M'F表示，故对连续梁施加预应力后产生的力矩可表示为MF=MoF+M'F。依据施工技术规范规定，预应力钢筋的平均应力不得小于50%钢筋最低极限拉力强度，预应力最大张应力不得大于80%钢筋最低极限抗拉强度，预应力钢筋在施预应力后固定于端锚的工作力预应力不得低于设计图所规定值，且起始应力不得大于70%钢筋最低极限拉力。

参考文献

[1]张永亮，陈兴冲，孙建飞.桥梁群桩基础非线性静力计算模型及拟静力试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013（9）：1799-1806.

[2]程斌，钱沁，赵金城.杆端缩尺钢桁架桥梁结构静力计算与优化分析[J].中国铁道科学，2011（5）：19-25.

[3]白琦成.郑西线湿陷性黄土地区桥梁基桩负摩阻力计算探讨[J].铁道技术监督，2009（3）：31-34.

收稿日期：2020-07-15

作者简介：唐发明（1985—），男，四川巴中人，本科，工程師，研究方向：桥梁设计。