中小跨径桥梁截面优化设计研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言当前，我国山区公路施工面临的地形地质环境较为复杂，中小跨径箱梁得益于其应用优势（施工方便、结构合理、质量可靠），在河流、沟壑、疑难土等路段得到了大规模建设。箱梁设计、施工技术要求较高，箱梁截面优化作为设计阶段的关键工作，对箱梁运营质量、安全、成本具有重要意义，截面优化方案设计需要结合项目建设实际环境、技术指标、经济成本控制要求而开展。箱梁截面的改善不仅能够优化结构布置，而且弱化了现浇混凝土施工成本，开展箱梁截面优化力学响应分析能够为类似项目提供重要技术支撑。1 工程概况河北省某中小跨径钢筋混凝土箱梁跨越山区河流，桥梁中心桩号K0+200，三跨构造，跨径20 m+20 m+20m，上部结构为等截面预应力现浇钢筋混凝土连续箱梁，单箱双室设计，下部结构则采取柱式墩。该桥梁结构设计荷载为公路级，桥面设计宽度12 m，双向二车道，设计车速80 km/h，洪水设计频率1/100。桥梁设计采取主要材料如下：箱梁主体结构采取C40混凝土，密度2 550 kg/m3，弹性模量3.5104MPa；钢材则采取HRB热轧螺纹钢（钢筋d大于12 mm）或者R235（A3）钢（钢筋直径小于12 mm）；DC-80型伸缩缝；雕石护栏1。箱梁结构整体处于公路路线直线段，采取满堂支架混凝土现浇施工，下部结构中桩柱式桥墩和箱梁相互固结处理；桩基础采取摩擦桩设计。桥梁结构具体尺寸如图1所示。初步设计中对于箱梁结构截面尺寸设计要求如下：跨中截面底板尺寸控制在100200 mm，且以150 mm或箱梁内壁净距/30为最佳；箱梁腹板厚度和顶板厚度影响较大，如腹板间距在34.5m时，顶板厚度控制为200 mm；腹板间距3m，则要求顶板厚度达到 175 mm；腹板间距 4.57m 时，要求顶板厚度 250mm；腹板间距达到 710m 时，箱梁顶板厚度最大为300 mm。设计单位拟对该箱梁截面进行优化分析，在确保箱梁结构在不同工况荷载作用下满足使用安全的基础上，控制施工建设成本。2 箱梁截面优化基本条件2.1 截面优化参数该箱梁截面采取单箱双室设计，图2为桥梁结构等截面断面示意图，该断面设计变量包括X1（左侧顶板收稿日期：2023-01-11作者简介：赵新玉（1987），男，河北威县人，工程师，从事路桥设计工作。中小跨径桥梁截面优化设计研究赵新玉（石家庄冀星路桥工程设计有限公司，河北 石家庄 050091）摘要：依托河北省某中小跨径等截面预应力混凝土箱梁工程，采用ANSYS有限元进行箱梁截面的优化设计，研究结果表明，截面优化后的桥梁体积减小10%；桥梁截面优化后在面临不同荷载作用下的结构应力、变形略有增大，稳定性满足规范允许范围。研究表明，本文开展的箱梁截面优化有助于控制施工成本，具备良好的方案可执行性。关键词：箱梁截面；优化设计；桥梁体积中图分类号：U442文献标识码：B（a）立面图（b）下部结构图图1 桥梁结构示意图单位：cm155总651期2023年第21期（7月 下）高度）、X2（左侧不包含两侧倾角的箱梁截面腹板高度）、X3（左侧箱梁截面底板厚度）、X4（右侧不包含两侧倾角的箱梁截面腹板高度）、X5（右侧箱梁截面底板厚度）、X6（箱梁截面底面宽度）2。箱梁截面初步设计中选取 X1=22 cm、X2=13 cm、X3=20 cm、X4=52 cm、X5=40 cm，其中依据最小保护层厚度技术要求可知，X1需要大于20 cm，X2大于10cm，X3大于18 cm，X4大于45 cm，X5大于35 cm。同时，设计单位结合该箱梁的行车道通行量需求及相关路面设备宽度影响，箱梁底面宽度X6需要满足3 cm以上的基本要求，如果设计中选取较小的底面宽度 X6，则会造成过大的箱梁截面悬臂端长度，引发悬挑梁结构破坏现象，此时的悬臂容易产生承载力丧失导致的倾覆危害，为此，X6需要尽量避免过小。单位：cm图2 桥梁结构等截面断面示意图2.2 荷载取值为分析不同荷载作用下的箱梁结构截面优化效果，设计单位考虑该钢筋混凝土箱梁在车辆荷载、风荷载、重力作用下的ANSYS有限元力学响应分析。结合该区域类似箱梁项目，设计单位设定该桥梁承受的标准风荷载Wk=2.36 kN/m2；路段该桥梁的车辆通行量在不断增大，车辆荷载加载主要以车道荷载形式进行桥梁结构的施加，行车荷载计算简图如图3所示。考虑到项目设计荷载标准为公路级，该桥梁为对称结构，选取箱梁结构一半进行车道荷载分析，其中，箱梁边跨20 m，依据相关规范获取Pk=165 kN、qk=7.9 kN/m；中间跨长度20 m，一半箱梁结构的Pk=92 kN、qk=7.9 kN/m3。图3 行车荷载施加示意图2.3 约束条件为分析箱梁不同截面下的经济指标及力学响应，设计单位需要对箱梁结构关键指标进行一定约束。项目箱梁结构为三跨（20 m+20 m+20 m），边跨长度 20m，则依据相关规范获取挠度允许值20/800=25 mm；中跨长度 20 m，其关联挠度允许值则为 20/700=29 mm。ANSYS为简化分析，并没有设置预应力钢筋，采取C40混凝土进行箱梁材料模拟，混凝土强度设计值fcd=19.1MPa、ftd=1.71 MPa，强度标准值 fck=26.8 MPa，ftk=2.4MPa，则在结构分析时，箱梁混凝土最大压力值设定为19.1 MPa，最大拉应力则设定为1.71 MPa。除了力学指标外，箱梁截面优化更加注重经济成本的合理性。设计单位需要对箱梁体积变化进行分析，重点开展不同截面尺寸变化下的箱梁整体体积计算工作，此举有助于获取满足经济要求的最佳截面设计方案。桥梁体积主要由上述箱梁截面6个变量所决定，桥梁体积越小则表现为施工造价越低4。3 有限元分析3.1 模型构建设计单位采取桥梁体积的一半进行ANSYS有限元模型构建，其中，X轴向为箱梁横截面向，Y轴向为箱梁截面高度方向，Z轴向则为桥梁一般长度向。有限元模型中箱梁底部为墩柱支撑形式，柱端对向量边界进行必要约束。为简化计算，项目制开展箱梁线形分析，主梁采取C40混凝土材料，泊松比0.3，密度2 550 kg/m3，弹性模量3.5104MPa，模拟单元为solid 65，8节点四边形单位构造，模型中总共可分为30 705个单元，包含45 152个单元节点，有限元模型示意图如图4所示。项目考虑施加风荷载、自重应力、行车荷载情况下的桥梁整体应力、变形变化情况，以此评价箱梁截面优化的合理性。图4 有限元模型示意图3.2 结果分析3.2.1 经济分析设计单位对项目箱梁截面6个尺寸变量进行优化，尺寸变量如上所述，采取软件中的乘子法进行优化，设定n值为6，截面尺寸经过65次迭代计算得到截面尺寸最优结果，优化前、优化后的经济分析结果如表1所示。表1结果表明，优化后的左侧箱梁顶板厚度X1减小了0.01 m，腹板高度X2减小了0.02 m，底板厚度X3减小了 0.01 m；优化后箱梁右侧腹板高度 X4 减小了0.01 m，箱梁截面底板厚度X5减小了0.04 m，箱梁底面宽度X6减小了0.48m。由此可知，优化后的桥梁整体体积减小幅度达到了10%，这对于中小跨径箱梁现浇施工Pkqk156交通世界TRANSPOWORLD成本的控制效果较好，现场施工更为经济5。表1 箱梁截面优化尺寸对比类别变量计算体积（1/4全桥体积）优化评价结果（%）X1X2X3X4X5X610优化后/m0.210.120.190.520.373.63110.8优化前/m0.220.140.200.530.414.11123.73.2.2 力学响应分析上述最优化结果的获取主要依靠迭代计算，即便桥梁施工经济上有所控制，其在复杂力学工况下的结构响应也需要进行保证。该桥梁应力和挠度变化是影响桥梁使用安全的重要因素，设计单位对该桥梁进行风荷载、自重应力、行车荷载综合作用下的力学分析，对截面优化前后的效果进行详细评估。表2为荷载综合作用下优化前后箱梁主体结构的应力、位移统计数据6。表2 箱梁截面优化尺寸对比类别优化后优化前差值最大位移/mm10.89.21.6第一主应力/MPa6.25.40.8第三主应力/MPa-9.9-9.60.3表2对比结果表明，箱梁截面优化前后的位移变化较为明显，应力变化则具备较小差异。优化后的位移、应力均有增大发展趋势，其中最大位移增大了1.6 mm，第一、第三主应力则分别增大了0.8 MPa、0.3 MPa。截面优化后的箱梁挠度变形、结构应力变化整体满足桥梁整体安全使用要求。箱梁截面优化方案具备较高的可执行性7。4 结束语桥梁工程作为我国公路建设的重要基础设施，其施工质量、成本对于项目建设社会经济效益影响重大，钢筋混凝土箱梁结构具备良好的应用优势，其截面设计优化作为概预算控制的关键内容，需要引起相关单位的重点关注。本文结合河北省某三跨钢筋混凝土箱梁结构开展箱梁截面优化参数及力学响应的分析，获取以下结果，优化前后的体积缩小10%左右；优化后的结构挠度变形和应力变化整体有增大趋势，但是符合规范稳定安全要求范围。该箱梁截面优化方案具备较好的可执行性，能够为类似工程建设提供理论参考。参考文献：1 孙洁，刘磊，彭益.波纹钢腹板简支结合箱梁的截面优化J.铁道标准设计，2012（4）：61-62，69.2 高云峰，张年红，叶元芬，等.半开口分离双箱梁断面涡激共振及气动优化风洞试验研究J.世界桥梁，2019，47（1）：38-42.3 王东炜，张奇伟，王用中.基于模态分析的鄄城黄河公路大桥优化设计J.郑州大学学报（工学版），2010（6）：1-5.4 李翠娟，李永乐，强士中.分离式双箱主梁断面气动优化措施研究J.土木工程学报，2015，48（11）：54-60.5 崔学峰，胡成.波形钢腹板箱梁桥内衬混凝土构造尺寸的优化研究J.公路工程，2017，42（6）：31-35.6 洪彩葵，张爱武，赵金鸽.乐清湾跨海大桥超高变截面节段预制箱梁施工技术J.施工技术，2020，49（3）：37-39.7 王琛，高晓华，边旭辉.预应力混凝土单箱双室箱梁桥零号块水化热研究J.公路交通科技：应用技术版，2011（10）：59-62.参考文献：1 刘明虎.桥梁钢-混凝土结合技术工程实践与展望J.桥梁建设，2022，52（1）：18-25.2 侯云鸽，章李刚，陈小峰，等.跨海大桥钢箱梁内敷电缆夏季极端温度模拟研究J.公路交通科技，2022，39（3）：85-90.3 雒敏，蔺鹏臻，杨子江，等.钢筋超高性能混凝土梁抗剪承载力及力学性能分析J.桥梁建设，2021，51（6）：53-60.4 王彬，刘来君，季建东.临猗黄河大桥组合梁负弯矩区力学性能优化措施研究J.桥梁建设，2021，51（6）：85-91.5 詹元林，杨勇，袁帅华，等.用于混凝土小箱梁预制的既有桥梁承载力分析J.公路，2021，66（10）：191-196.6 鲁雪冬，宋晓东.铁路混凝土箱梁是否设置横向预应力筋的探讨J.铁道建筑，2022，62（1）：78-82.（上接第132页）157