跨座式单轨区间轨道梁桥设计软件开发研究

张世基 韩广晖 冯 凯

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式单轨具有占地少、施工速度快、线路转弯半径小、爬坡能力强等特点,是一种优良的中运量轨道交通系统。跨座式单轨发源于欧洲,美国、德国、日本、新加坡、巴西等许多国家都修建了跨座式单轨线路。我国自重庆市引入跨座式单轨交通系统以来,很多学者对跨座式单轨体系桥梁结构进行研究,积极推动跨座式单轨国产化、自主化和技术创新。宋浩结合BIM 技术对区间轨道梁线形控制技术开展研究[1];聂桂良等对竖向荷载作用下单线和复线钢轨道梁进行受力和变形性能研究[2];蒋依坛等对单轨桥高墩结构进行振动特性试验和有限元分析[3];路晓宇等对比连续刚构体系与简支体系轨道梁特点,阐述连续刚构体系轨道梁的优越性[4];王宏亮开展考虑滑移效应的单轨交通钢混组合轨道梁-车辆耦合系统动力及低频噪声问题研究[5]。

近年来,随着我国基础设施建设的加速和计算机技术的进步,桥梁计算机辅助设计软件(如桥梁博士、MIDAS、桥梁通、桥梁设计师等)在工程中得到广泛应用,极大推动工程行业的进步。吴平川等结合桥梁设计软件MIDAS civil 方便高效的前处理功能和通用有限元软件ABAQUS 强大的分析功能,开发从MIDAS civil 到ABAQUS 软件的接口程序[6];许卓伟针对公路互通立交曲线梁桥CAD 系统开展研究[7];王高科对高速公路桥梁施工图绘图方法进行探讨[8]。目前,市场上缺乏满足跨座式轨道交通桥梁设计需求的软件。

以下从连续刚构体系跨座式单轨桥梁的设计特点出发,研究设计过程中遇到的布置、计算、绘图和算量等问题,开发一种适应跨座式单轨桥梁特点的一体化设计软件,以期达到提高设计效率、改善设计质量的目的。

2 软件的流程和功能模块划分

芜湖跨座式单轨采用连续刚构体桥梁体系,该体系对桥梁设计软件功能提出新的需求。连续刚构体系中,轨道梁结构在不同支点处高度不同,要求设计软件支持变高度连续刚构桥梁的绘制;连续刚构体系具有超静定的结构特点,基础受力分析与上部结构耦合度高,桩基础需要进行迭代试算;单轨桥梁具有“梁轨合一”的特点,轨道梁定位精度误差控制在毫米级,单轨桥的设计过程中需对桥墩位置、轨道梁位置、轨道梁超高和垫石超高进行精确计算;单轨桥区间包含PC 简支梁、钢混结合梁、连续PC 梁等多种类型的结构,以及支座、预埋件、附属结构等,容易造成工程数量计算纰漏。

针对连续体系轨道梁桥的特点,考虑采用软件开发的方法解决上述问题。结合桥梁设计流程,采用面向对象的方式进行软件开发,规划软件使用流程,划分功能模块。软件的流程和功能模块划分如图1 所示。

图1 软件流程和功能模块划分

单轨桥梁的设计流程可概括为:获取设计边界条件→桥梁孔跨布设→墩梁定位计算→桥墩及基础设计和计算→桥梁平立面布置图绘制→桥梁工程数量统计。按照使用功能将软件模块分为:设计边界条件输入、数据库管理、桥梁结构设计计算、设计成果输出4 部分。采用MVC(模型-视图-控制器)模式进行分层开发,在模型层采用组合关系对桥梁结构数据进行组织,在控制器层进行专业计算功能的实现,在视图层进行结果数据的可视化和输出。

为方便对项目设计资源进行统一管理和重复利用,采用数据库的方式存储桥梁构件几何参数、荷载信息、图块、工程数量信息,对应设计桥墩、梁部、基础、荷载工况、材料、控制条件等数据库表单,开发对数据库的编辑功能和交互界面窗口。

3 跨座式单轨轨道梁桥关键功能模块

针对轨道梁桥布置、连续刚构体系基础计算、轨道梁桥图纸绘制、工程数量计算的特点,进行轨道梁桥孔跨布置模块、桩基础计算模块、立面图绘制模块、工程数量计算模块开发思路和实现方法的介绍。

3.1 轨道梁桥孔跨布置模块

孔跨布置模块的功能是在线路、地形、地质等设计边界条件和桥梁布跨指导原则明确的条件下,选择合理的上部结构孔跨布置组合来确定墩台的位置,得到满足经济技术条件等要求的合理布跨方案,其流程如图2 所示。

图2 轨道梁桥布跨流程

(1)孔跨布置和墩梁定位

单轨轨道梁桥在布跨计算基准线路的选择和布跨方式上与铁路桥梁存在区别。以双线桥梁为例,在计算基准线的选择上,铁路桥梁以左线为基准线,依靠单一的线路左线进行桥墩的平面定位;单轨桥梁基准线为虚拟中线,根据左右线推算得到,如图3 所示。上部结构的布置方式上,曲线上桥梁、铁路简支梁桥采用平分中矢法布置,连续梁桥采用曲梁曲做布置;单轨桥的各种梁型均采用曲梁曲做。轨道梁桥采用虚拟中线长度等于名义跨度的方式进行布跨,以跨度30 m 为例,在曲线内侧的轨道梁实际长度小于30 m,而在曲线外侧的轨道梁的实际长度大于30 m。

桥梁立面中高程定位计算同样需要同时依靠左线和右线,根据对应的左右线桩号分别计算高程后取平均值。

软件开发中,在控制层编写桥梁布置计算工具类(LayOut Class),根据控制墩桩号和桥梁孔跨组合计算每个墩位处桩号。在模型层编写路线类(Alignment Class),用平面线属性和纵断面属性存放线路平面和纵断面数据,编写坐标获取方法获取桩号对应的平面坐标,编写高程获取方法获取桩号对应的高程。采用多线计算工具类(Alignment Utility Class)解决多条路线间平面位置的计算。多线计算方法可根据任意基准线里程和桥墩与基准线的夹角计算其余线对应的里程和高程,设计UI 窗口进行交互,满足参数调整和计算结果显示,如图4 所示。

图4 多线间桩号计算

(2)基础和预埋件定位

在桥墩定位的基础上研究局部构件(如预埋件)定位计算方法。编写坐标系转换类(Transform Class),将局部坐标转换至整体坐标系下,实现预埋件的精确定位计算。坐标系转换类通过构造3×4 阶矩阵存储旋转和平移数据,局部和整体坐标转换通过矩阵叠加完成。

基桩定位计算中,根据基础和桥墩定位线的相对位置关系,构造以桥墩定位线为基准线的桥墩局部坐标系和以基础中心为基准的基础局部坐标系,如图5 所示。将上述2 个坐标系叠加后,得到整体坐标系下基桩的位置。

图5 基桩定位计算坐标系

桥墩临时支撑的定位计算中,以轨道梁端部为原点,建立梁部局部坐标系,在梁部局部坐标系下,考虑制造过程轨道梁高度变化因素后,确定临时支撑点顶部的局部坐标,经矩阵运算后得到整体坐标系下支撑点位置。临时支撑与轨道梁和桥墩的关系如图6所示。

图6 临时支撑示意

3.2 连续刚构体系轨道梁桥桩基础计算模块

桩基础的设计和地质情况息息相关,桩基础计算依据地质资料土层参数。为解决桩基计算中土层参数快速获取和多点地质资料快速输入等问题,利用CAD图元代表土层的方法实现土层位置的标记,如图7 所示,使用不同图层来进行地质土层信息的管理。软件开发中,在模型层编写土层类(SoilData Class)进行土层数据的管理。在控制层编写土层操作类(Soil Utility Class)处理土层信息,以实现桩基计算所需的地质参数快速获取。

图7 土层标记方法示意(单位:m)

连续刚构体系属于超静定结构,基础刚度会对结构内力产生影响。对整联结构进行内力分析前,先假定基础刚度,按假定基础刚度分析内力进行桩长计算,根据计算结果修正计算模型中基础的刚度,重复上述计算过程,直至两次计算结果满足收敛要求。桩长迭代计算流程如图8 所示。为了使迭代结果快速收敛,桩长修正采用二分法进行(利用本次计算得到的桩长和上一次桩长的平均值作为下次计算的初始值)。

图8 桩长迭代计算流程

3.3 轨道梁桥平立面图绘制模块

轨道梁桥平立面布置绘图过程分为桥墩和基础图元绘制、文字及标注信息绘制2 部分。桥梁构件标准化程度高,绘图过程围绕构件进行,构件图元绘制完成后,再进行标注和文字信息绘制。

程序设计时,针对桥墩、基础、轨道梁等不同类型的构件类,分别编写绘图方法来完成结构轮廓和标注文字绘制。绘制过程以1 跨为基本单元,依次调用梁部类、桥墩类、基础类中的绘图方法,遍历全桥构件完成全桥图的绘制。变高连续结构梁部绘制以1 联梁为单位,变高段的绘制采用长度和高度2 个参数控制。利用软件绘制的桥梁立面如图9 所示,包括上下部结构的位置、尺寸信息以及控制高程信息。

图9 连续刚构轨道梁桥立面(高程单位:m,其余:cm)

3.4 轨道梁桥工程数量计算及输出模块

为方便分类计算,将轨道梁桥工程量分为主体结构工程和附属工程2 部分。主体结构中梁部按榀(联)来计算,桥墩按照组成及材料种类进行计算,基础按照结构主体和开挖工程进行计算。附属工程依托于主体工程采用配置公式进行计算。

程序开发的过程中,数量项采用编码的方式进行标记和管理。在模型层编写工程数量项类(Quantity Item Class)进行数量项的存储,在数据库中将标准构件的数量以表格的形式进行保存。在控制层编写工程数量计算类(Bill Class)对构件中存储的数量进行统计存储,汇总相同数量项。

工程数量的输出采用模板配置的方式。在预先设置好的Excel 数量模板中,按照工程数量项逐一对应填写输出编码和公式,输出编码与数据库中的数量项编码形成映射关系。输出工程数量表时,依次使用数值替换编码,以某工点为例,部分编码与数量如图10 所示。

图10 工程数量编码与数量

3.5 软件效率

以某区间轨道梁桥设计为例,采用手工计算和绘图耗时20 d,使用轨道梁桥设计软件后耗时5 d,提高约4 倍的工作效率。

4 结语

针对跨座式单轨桥梁设计过程中遇到的孔跨布置、桩基础计算、图纸绘制和工程数量统计等问题,提出依托线路左线、右线和虚拟中线进行桥墩、轨道梁定位的算法;采用迭代试算的方法解决连续刚构桩基础批量计算的问题,通过图元化的土层标记解决快速获取地质土层信息问题;采用单基点定位多参数控制的方法解决变高连续结构立面图绘制问题;采用编码连接工程量数据库和Excel 表格的方法进行数量快速检索及汇总输出。

在提出解决方法的基础上,采用C++编程语言,依托AutoCAD 进行轨道梁桥设计软件开发,软件应用于芜湖市轨道交通1 号线、2 号线工程桥梁设计中,为跨座式轨道交通连续刚构体系桥梁设计提供了有效的工具支撑。