计算机技术在常规桥梁标准化设计中的应用.docx

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计算机技术在常规桥梁标准化设计中的应用

计算机技术在常规桥梁标准化设计中的应用

周宗泽上海同豪土木工程咨询有限公司

本文介绍了计算机技术在常规桥梁标准化设计中的应用的最新研究成果，并对未来应用领域的研究做了初步探讨。

应用现状

我国大规模的桥梁发展过程中，计算机技术对桥梁设计的贡献已经得到桥梁设计者的广泛认可，现在结构设计计算效率比人工计算时期提高了几百倍，设计制图效率提高了几十倍，桥梁设计已经离不开计算机技术。

随着计算机技术的发展，其对桥梁设计的应用也逐渐向精细化设计方向发展，计算更加精细、更加系统地服务于结构设计，制图也更为自动化。

然而桥梁设计中综合考虑结构安全性、经济性和美观性的结构设计理论（标准化设计）的发展明显不足，在我国大规模的桥梁建设中已经积累的丰富的设计经验的重复应用还处于人工阶段，尚需要有丰富设计经验的总工、项目负责人和专家团队来保障工程设计质量，尤其是大量的常规结构，工作量巨大，浪费了大量的宝贵的专家精力，生产任务的繁重使得专家们难有余力进行更深入的桥梁设计理论研究。

目前能书面表达的设计经验积累只有部分装配式结构的通用图和部分设计院的设计指导书，其中设计指导书的执行过程还是人工控制，质量控制难度较大。

上部结构通用图中，对普遍使用的现浇箱梁由于结构复杂，且受跨径、梁高、箱室宽度、曲率、斜交、支承、荷载标准、环境等影响，而尚未实用，导致箱梁结构的尺寸、配筋、制图风格各异。

下部结构通用图由于工程情况复杂，受上部结构型式、跨径、桥宽、曲率、斜交、墩高、填土高度、地基、荷载标准、地震、环境等影响，只建立了少部分情况的通用图，编制常规情况的通用图是海量工作量，因此大量的工程情况都要靠设计者自行掌握和学习以往的工程经验或者重新设计，导致资源浪费，也容易出现工程事故，最终给桥梁维护工作带来巨大的工作量。

由于桥梁标准化设计的巨大复杂性和海量工作量，计算机技术在这一领域的应用很少涉入，大部分软件产品都是工具性的，关键的结构参数都是由设计者自行设计的。

由于常规桥梁规模大，尤其是桥梁维护工作的繁重，因此迫切需要计算机技术来解决常规桥梁结构的标准化设计，使得大量的桥梁的工程合理性在设计阶段中得到可靠的保证。

技术路线

桥梁设计中的主要工作就是跨径布置、结构选型、结构尺寸拟定及结构配筋计算，最终以工程图纸方式将结构完整表达。

桥梁标准化设计就是将这个设计过程中的部分内容，依据可靠研究成果，形成可根据一些工程可变参数值来套用的固定设计数值。

桥梁通用图就是标准化设计的一个内容形式，通过实际工程中的跨径、桥宽、斜交角、荷载标准的数值就可以直接套用结构的图纸，既满足了安全性也满足了经济性，缺点是表达方式过于复杂，要制作常规情况桥梁的通用图耗资巨大，因此目前只解决了部分情况下的结构通用图。

计算机技术是一门数字技术，其应用于桥梁标准化设计中必须实现两大要素：

一是桥梁设计经验库的建设，首先将最终工程结构参数化，根据桥梁结构的固定规则去掉大部分不受外界参数影响的参数，剩下的就是依工程情况而变的少部分参数，也就是桥梁结构的关键参数；再将工程环境参数化，如地质、荷载等级、环境等，各参数根据其自身特点建立分级标准；最终建立一个关系数据库，即各种工程环境参数值下对应的各种桥梁结构的关键参数值，该数据库就是桥梁设计经验库。

实际工程设计时，只需要明确工程环境参数值即可自动搜索桥梁设计经验库，高质、高效地形成桥梁方案。

比以往研究进步的就是该经验库是高精度的，可达到通用图标准，而不是模糊化查询。

二是参数化制图产品，工程图纸是设计结果的表达形式，由设计经验库取得的设计关键参数要通过参数化的制图产品转化为工程图纸。

两大要素的结合实现了常规桥梁的标准化设计过程，既避免了大量手工绘制通用图的工作量，又能将设计经验充分应用。

另外设计经验是不断发展的，是过去设计经验的总结，在实际的应用中尚需要现场校验，根据计算指标和经济指标以及三维效果图的分析研究，不断完善经验库的准确度，因此尚需配备系统性的结构计算工具、造价估算工具以及三维效果图工具，以判断已有设计经验库的安全性、经济性和美观效果的可靠性。

应用介绍

常规桥梁总体设计标准化中的应用

桥梁总体设计中的关键工作就是跨径布置与结构选型及关键结构尺寸的确定（如梁高），三者相互咬合，难解难分，但其最终目标就是结构安全性、工程经济性和整体美观性，该目标的合理性判断准则极其复杂，因此采用充分应用结构经验快速得到多个工程方案，首先保证了各方案中的结构安全性，最终通过方案造价比较和美观比较综合来决定最终方案。

结构经验采用数字化的设计指导书来表达。

常规桥梁结构尺寸与配筋设计标准化中的应用

根据各种桥梁结构的特点分别制定了各种结构的设计关键参数，设计经验库中储存了各种工程情况下各种结构设计关键参数的取值。

常规桥梁标准化设计中的校核技术应用

结构标准化中主要考虑的就是结构尺寸与配筋优化，是结构安全性与经济性的统筹优化结果，设计经验库是否合理需要实际工程的检验，检验的依据就是结构安全性与经济性的计算结果。

空心板中板汽车验算表

梁验算表

承载能力

承载能力类别

验算位置

荷载效应

截面承载力

是否满足

安全系数

抗弯承载力

（kN∙m）

跨中（6.480）

1067.542

1775.82

是

1.7

抗剪承载力

（kN）

支点（0.300）

451.68

747.77

是

1.7

支点（12.660）

-419.69

-880.3

是

2.1

抗剪上限（kN）

支点（0.300）

451.67

590.52

是

1.3

支点（12.660）

-459.83

-619.59

是

1.3

应力

应力类别（MPa）

验算位置

应力最值

容许应力

是否满足

安全系数

持久砼拉应力

（长期）

跨中（6.480）下缘

6.573

0.0

是

7.6

持久砼拉应力

（短期）

跨中（6.480）下缘

3.518

0.0

是

4.5

持久砼压应力

（标准）

跨中（6.480）上缘

10.338

16.2

是

1.6

持久砼主压应力

（标准）

跨中（6.480）

10.338

19.44

是

1.9

持久砼主拉应力

（短期）

支点（12.660）

-0.243

-1.59

是

2.3

持久钢束拉应力

（标准）

N2

-1076.807

-1209

是

1.1

短暂砼压应力

（施工）

一般（2.360）

10.827

22.68

是

2.1

短暂砼拉应力

（施工）

一般（0.000）

0.0

-3.047

是

4

配筋率

最小配筋率

（kN∙m）

验算位置

开裂弯矩

截面承载力

是否满足

安全系数

跨中（6.480）下缘

1401.707

1775.82

是

1.3

变形

挠度（mm）

验算位置

最大挠度

容许挠度

是否满足

安全系数

跨中（6.480）

4.528

21.6

是

4.8

预拱度（mm）

计算位置

预拱度值

跨中（6.480）

-6.548

桩柱式基础E2（地震）验算表

桩基础验算表

验算项目

类别

效应值

容许值

是否满足

安全系数

单桩轴向受压承载力（KN）

长期组合

1684.77

5e4

是

29.7

短期组合

1684.77

5e4

是

29.7

单桩轴向受拉承载力（KN）

长期组合

1266.84

0.0

是

100

短期组合

1266.84

0.0

是

100

桩端地基土应力（KPa）

长期组合

1383.42

4.5e4

是

32.5

短期组合

1414.278

4.5e4

是

31.8

桩身截面承载力（KN）

基本组合

1749.38

1.45e4

是

8.3

桩身截面裂缝宽度（mm）

短期组合

3.993e-2

0.2

是

1.2

基础沉降（m）

7.117e-4

应用成果

结语

计算机在桥梁设计领域中的应用经历了人工制图、参数化自动绘图、参数化建模等阶段，目前已经进入更深层次的应用领域，标准化设计过程中的应用已经完成研究并进入了实用阶段。

随着计算机的发展和专业设计理论的深入研究，计算机技术将在桥梁概念设计、精细设计领域中发挥巨大的作用。