基于模拟手算技术的钢管桩承载力自动化计算研究

胡帮义，戴维江，郑家根

(1.湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000；2.核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 前言

随着我国交通基础设施建设的飞速发展，桥梁结构在高速公路及高速铁路所占比重较大，对桥梁施工技术提出了越来越高的要求[1]。支架现浇法仍然是桥梁现浇施工广泛采用的施工方法[2]，贝雷梁+钢管桩支架具有施工方便、施工场地适应能力强等优点，在桥梁施工中得到了广泛的应用。在进行桥梁施工方案评审时，一般甲方要求施工单位提供支架结构设计计算书。因此，编制计算书是一项非常重要的工作。

在编制结构计算书研究方面，国内有一些学者进行了大量研究。白凤军[3]采用perl语言结合Latex文字排版系统开发了钢筋混凝土工具箱来生成计算书，赵宇瑶等[4]研究了利用MathCAD软件进行挡土墙结构设计计算，谢腾飞等[5]也利用该软件编制平面钢闸门设计计算书，严佳伟[6]则实现了水流渗流改进阻力系数法计算书的编写，朱佳文等[7]研发了一种基于PDA的舰船计算书自动生成技术，朱恒[8]研究了HTML5技术在计算书生成中的应用，梁施铭等[9]以基于C#语言编程自开发AutoCR软件来生成计算书。以上方法的实现普遍需要借助其他编程软件来实现，应用较复杂，不利于路桥施工现场技术人员使用。目前路桥施工现场技术人员编制word计算书普遍还是采用手动编制，部分借助Excel软件编制公式实现数据的计算，word文档再手动整理，比较费时费力。部分技术人员借助PKPM或理正岩土等软件来生成计算书，但普遍不是Word格式，计算书可读性不强，而且普遍没有计算公式过程，导致计算书可读性不强。

为了实现施工临时结构计算书的快速编制，本文利用模拟手算技术，借助Delphi开发平台，通过编程实现了结构计算的自动化，并自动生成带计算过程的word计算书，极大地提高了工作效率，该技术实现路径可为类似结构计算书的生成提供方法上的参考。

1 模拟手算技术思想

模拟手算技术[10]的基本思想是利用计算机软件来模拟人工计算的过程，模拟人工查表获取参数，模拟人工进行公式计算，模拟人工书写计算过程并将结果录入Word，得到的Word计算书和手工编制的Word计算书具有殊途同归的效果。当需要进行结构计算时，只需要在软件界面输入相关参数，便可得到具有完整计算过程的Word计算书，整个计算过程全部交给计算机，计算完全自动化、智能化，实现了自动化计算的目标，达到了模拟手算的效果。

模拟手算技术思想的实现流程如图1所示。

图1 模拟手算技术思想实现流程

2 钢管桩单桩竖向承载力计算

钢管桩在施工临时结构中经常作为竖向受力构件使用，我们常常需要知道单根钢管桩的最大承载力为多少。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.7的规定，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定钢管桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

式中：

qsik——桩侧第i层土极限侧阻力标准值（kPa）

u——钢管桩周长（m）

qpk——极限端阻力标准值（kPa）

li——钢管桩穿入每层土的厚度(m)

λp——桩端土塞效应系数

hb——桩端进入持力层深度（m）

d——钢管桩外径（m）

Ap——钢管桩全截面面积（m2）

因此，要进行钢管桩的自动化验算，我们就要实现相关基本参数的手动输入，实现间接参数的自动计算，实现代入数值的自动计算，实现结果自动输出到word等基本功能要求。

3 钢管桩承载力自动化计算的实现

3.1 基本参数的手动输入

采用Delphi开发平台，设计程序界面，在界面中添加标签和文本框等控件，标签用来说明功能，文本框实现基本参数的输入。基本参数主要有：qsik、qpk、li、hb和d等。

3.2 间接参数的自动计算

3.3 代入数值的自动计算并录入word

要实现代入数值的自动计算，需要利用Delphi链接Word，利用Word程序的接口函数来对Word进行操纵。比如在Word中输入文字，输出公式、绘制表格等，利用前面已经获得的基本参数和计算出的间接参数，可以通过写代码实现边计算边输出到Word的功能。实现相关功能的主要核心代码如下所示。

编制的程序界面如图2所示。

图2 实现自动化计算的程序界面

输入相关参数，并勾选相关选项，即可自动生成钢管桩承载力Word计算书，非常简单高效。

4 工程应用案例

某桥梁施工用钢栈桥采用贝雷梁+钢管桩的结构形式，经过计算得到钢管桩承受的最大轴力为985.2kN。钢管桩总长8m，截面形式为φ630mm×10mm，入土深度为5m，采用敞口桩形式，钢管桩位置地质情况如图3所示，请计算该钢管桩是否满足单桩竖向承载力要求。

图3 钢管桩位置地质钻孔柱状图

由图3可知，该钢管桩共穿越3层土，第1层土质为素填土，桩侧土极限侧阻力标准值为30kPa，该土层厚为0.7m；第2层土质为粉砂，桩侧极限侧阻力标准值为25kPa，该土层厚为1.3m；第3层土质为圆砾，桩侧极限侧阻力标准值为100kPa，该土层厚为3m。

在程序界面输入相关参数，如图4所示。

图4 程序界面输入相关参数

单击“单桩竖向极限承载力计算”按钮，即可得到Word计算书，如图5所示

图5 程序自动生成的Word计算书

由上可见，整个计算过程完全是自动化的，可谓一键生成Word计算书，自动生成的计算书和手算的计算书一模一样，实现了模拟手算的效果。根据计算书可知该钢管桩竖向极限承载力为2349.13kN。单桩竖向承载力特征值：

因此，该钢管桩满足单桩竖向承载力要求。

5 结语

本文基于模拟手算技术思想，利用Delphi开发平台，开发了钢管桩单桩竖向承载力自动化计算软件，可以得出以下结论：

①模拟手算技术思想理念先进、切实可行，对于解决结构计算手算的问题，具有方便、快捷、高效的特点，一次写代码即可实现所有类似问题的快速化求解；

②基于Delphi链接Word的技术为模拟手算技术思想的实现奠定了良好的基础，利用Word丰富的接口函数，为生成丰富多彩的结构计算书带来了巨大的方便；

③本文所述基于模拟手算技术的自动化计算方法途径，可为类似结构的快速化计算提供方法参考。