连续刚构桥主梁高跨比优化设计研究

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优化实例
某 4 跨连续刚构桥为跨径 95m + 2 ˑ 170m + 95m 预应力混凝土连续刚构桥，主梁截面形式为单箱单室 箱梁，墩顶箱梁高 10. 6m，跨中及边跨直线段箱梁高 3. 6m，箱梁顶板宽均为 12m， 底板宽为 6. 5m， 箱梁 底面曲线按 1. 8 次抛物线变化。采用有限元计算软件 建立图 5 所示桥梁仿真模型，计算中主桥跨径、 材料 参数等保持不变。
图4
箱梁截面所需典型预应力
墩顶初估预应力 F = M M ≈ Z 0. 75 h （ 1）
图5 结构离散图
（ 下转第 84 页）
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特别报道 增加梁体自重的。表面收浆后，及时拉毛处理， 待终 凝时覆盖洒水养生。 （ 7 ） 预应力张拉质量控制 预应力施工是整个箱梁施工中的最为关键的工序 ， 之一 其施工质量的好坏直接影响箱梁最终质量及有 效预应力值，首先检查张拉设备的标定证书、 操作人 员的上岗证、 锚具的安装、 钢绞线对号穿入波纹管 内。钢绞线采用两端张拉， 锚下控制应力为 0. 75 f pk = 1395MPa，当箱梁混凝土强度达到设计强度的 90% 且龄期不小于 4 天后， 方可张拉钢绞线， 张拉顺序 为： Y5 →Y4 →Y2 →Y3 →Y1 。 为了使梁体不发生早期裂缝，在混凝土强度达到 设计强度 50% 60% 时拆除内模， 外模应松开， 确 保不对梁体压缩造成阻碍。终张拉应在梁体混凝土强 度达到设计值 90% 后进行， 终张拉后， 方可拆除外 模以及支架。 （ 8 ） 预应力孔道压浆控制 首先检查材料的数量和种类、机具的完好； 真空 压浆机必须能为 － 0. 06MPa 的常压连续作业。 压力表 在首次使用前必须及时检查、校准。水泥浆的配合比 及有关性能应符合规范要求， 水泥浆经过 3h 泌水量 不应超过 2% 。压浆过程中当真空值达到并维持在 － 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 （ 上接第 81 页） 由于计算量过大，根据本文前述世界范围内已建 成的连续 刚 构 桥 的 高 跨 比 分 析， 将 H / L 在 0. 05 0. 07 区间划分网格， H0 / L 在 0. 01 计算结果见表 1 。
0. 06
0. 1M连续工作。 灌浆泵压力达到 0. 7MPa 左右，
持压 2min 完成排气泌水， 使孔道内浆体密实饱满， 完成灌浆，关闭灌浆泵及灌浆阀门。 封锚前用手砂轮切割预应力筋，不得使用气、 电 焊割，并将锚区进行凿毛处理，使用与主梁体相同的 标号进行封锚。
通过对连续刚构桥的受力力分析， 在不考虑其 他参数的影响下，建立了该类桥梁高跨比参数优化设 计方法，从优化结果分析，该方法是可行的， 并且具 有简单易用的特点。在实际工程中，影响连续刚构桥 的受力性能的因素很多， 需要确定更多的优化变量， 构造更复 杂 的 目 标 函 数， 才 能 从 整 体 上 进 行 设 计 优化。
作者简介： 冯亚军 （ 1980 － ） ，男，陕西延安人，工程师，从事公路工程研究。
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H0 / L 的增大的情况下， 主梁控制截面正弯矩随 H0 / L 的增大而增大； 负弯矩随着 H0 / L 的增大而减小。
式中： z = c1 － d1 + c2 ，一般在墩顶取 z≈0. 75 h。 跨中初估预应力 F = M M ≈ Z 0. 70 h （ 2）
式中： z = c2 － d2 + c1 ，一般在跨中取 z≈0. 70 h。 由式 （ 1 ） 和 （ 2 ） 求得总墩顶与跨中所需预应 力总和 F z ： Fz =
图3 不同箱梁跨中高跨比下各控制截面弯矩对比
+ ∑ 0. 75 h i ∑ 0. 70 h j i j
Mi
Mj
（ 3）
式中： M i ， h i 为各墩顶弯矩与梁高， M j ， h j 为各跨 中弯矩与梁高。 约束条件 施工阶段：
表1
H0 / L 0. 0140 0. 0158 0. 0168 0. 0192 0. 0228 0. 0239 H /L 0. 050 192. 5 200. 9 204. 5 211. 9 219. 3 221. 0 0. 055 183. 7 191. 4 194. 9 201. 7 208. 9 210. 6 0. 058 179. 1 187. 8 191. 2 197. 6 204. 7 206. 4 0. 062 173. 6 180. 5 183. 6 189. 8 196. 6 198. 2 0. 065 169. 9 176. 6 179. 5 185. 4 192. 0 193. 6 0. 070 164. 6 170. 6 173. 4 178. 9 185. 1 186. 7 ［ 1］ 徐岳， 郝宪武， 等． 连续刚构桥双薄壁墩参数设计方法研究 ． 中国 2002 （ 2 ） ： 79 － 82． 公路学报， ［ 2］ 马保林． 高墩大跨连续刚构桥． 北京： 人民交通出版社， 2001． ［ 3］ 张炳华， 1998． 侯昶． 土建结构优化设计． 上海： 同济大学出版社， ［ 4］ 李明燕， 方志， 预应力混凝土连续刚构桥的参数优化 ． 公路工程， 2008 （ 2 ） ： 74 － 80． ［ 5］ 史尔毅． 中国预应力混凝土公路桥． 北京： 人民交通出版社， 1988．
参考文献：
3 不同高跨比对应的 F z /10 kN
由表 1 可以得出梁高变化的规律： 在一定范围 内，H / L 增大，全桥主梁所需预应力总和减小。 H0 / L 减小全桥主梁所需预应力总和减小 。其限值受应力约 束控制。可通过网格搜索找出最优的高跨比 ， 网格划 分越细，越接近最优。
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结语
F1 匝道第 8 联 （ 4 ˑ 25m ） 现浇预应力混凝土箱 梁的施工，是吕小寨 43 联现浇梁的代表性施工过程， 在施工过程中，作为监理工程师，严格按照质量标准 控制全过程，密切与施工单位配合，对工程质量进行 全员、全方位、全过程的有效控制，有效提高了现场 管理工作效率，避免返工重复带来的损失。
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引言
近年来，虽然已广泛应用计算机进行桥梁设计， 但是目前基本上仅限于结构分析与方案比较 ， 通常是 依靠设计者的经验和参考已有的设计实例来进行各构 件断面尺寸的拟定。如何修正这些构件的尺寸， 使结 构既具有足够的承载能力，又能节省材料用量， 较复 杂的结构经修改后的设计是否最优 ，是目前桥梁设计 者面临的难点。 大跨径连续刚构桥主梁的高跨比是此类桥梁设计 的重要设计参数，箱梁高度的选取直接关系到整桥的 工程量、外形美观以及施工难易程度和预应力钢束布 置等。中国所建预应力混凝土连续刚构桥箱梁根部高 跨比 H / L 的值分布于 0. 05 0. 0636 之间， 且主要集 中于 0. 055 附近，欧美国家该类桥梁的分布区间范围 要比中国大， 分布置于 0. 036 0. 064 之间， 主要分 布于 0. 05 0. 06 之间。 中国所建预应力混凝土连续 刚构桥箱梁跨中高跨比 H0 / L 的值分 布 于 0. 0136 0. 025 之间，主要集中分布于 0. 015 0. 018 之间； 欧 美国家该类桥梁大体分布于 0. 011 0. 036 之间， 主 要集中分布于 0. 015 0. 025 之间。 本文将以大跨径 连续刚构桥主梁的受力分析为基础 ，对该类桥梁高跨 比进行优化设计。
图2 不同箱梁根部高跨比下各控制截面弯矩对比 图1 4 跨连续刚构桥结构简图
2. 1
箱梁根部高跨比 H / L 的影响 为了简化问题，选取箱梁高度由根部 H 以 1. 8 次 抛物线渐变至跨中 H0 ，H0 为 3. 6m，以自重为荷载工
况。根据统计数据，H / L 一般取在 0. 05 0. 06 之间， 进行有限元计算时，选取 H / L 分别为 0. 0524、0. 0547、 0. 0565、0. 0582、0. 0594、0. 0624。 由 图 2 可 以 知 在 H / L 的增大的情况下，主梁控制截面正弯矩随 H / L 的 增大而减小； 负弯矩随着 H / L 的增大而增大。
至跨中 H0 ，H 为 10. 6m，以自重为荷载工况。根据统 计数据，H0 / L 一般取在 0. 015 限元 计 算 时， 选 取 H0 / L 分 别 为 0. 0145 、 0. 0164 、 0. 0182 、0. 0205 、 0. 0212 、 0. 0226 。 由 图 3 可 知 在
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3. 1
高跨比的参数优化设计
设计变量
一个结构设计的方案是由若干个数量来描述的， 它包括结构构件的截面尺寸，结构总体几何参数， 以 及选用的材料等。设计变量的选择不能离开客观条件 的许可，应根据具体实际情况考虑。一般说， 设计变 量取得越多，优化效果越好，但工作量越大， 因此优 化设计中应把设计变量取得尽量地少 ，把那些对优化 效果不太显著的参数作为预定参数 。 本文根据具体情况， 选取箱梁根部高跨 比 H / L 以及箱梁跨中高跨比 H0 / L 两个比值为设计变量。 而 全桥长度、跨径布置、下部结构等都根据实际工程情 况取值，作为预定参数在有限元建模时考虑 。 3. 2 目标函数 大多数结构设计将结构最轻取为目标 ， 本文由于 没有以边跨比作为变量，而是直接利用工程实际中的 参数取值并认为是经济的，这时结构的重量已不作为 目标。选取结构占比较大比例的自重荷载弯矩间接反 映。对于大跨预应力结构，预应力所产生的弯矩主要 是用来抵消结构自重所产生的对结构的不利弯矩 ， 因 此把结构所需求的预应力定为目标函数 。箱梁截面所 需典型预应力如图 4 所示。
特别报道
连续刚构桥主梁高跨比优化设计研究
1 冯亚军 ，孙 2 2 磊 ，杨雅勋
（ 1. 陕西省高速公路建设集团公司，陕西 摘