章建明

(杭州市交通設施建設處,浙江 杭州 310005)

隨著計算機技術的發(fā)展,鐵路橋梁設計軟件正在向大規(guī)模、綜合化、可視化、智能化方向發(fā)展;同時,由于橋梁工程中新結構、新工藝的不斷出現(xiàn),軟件的更新?lián)Q代也明顯加快.目前,微機已成為功能強大的主流計算平臺.

Visual Basic語言(簡稱“VB”)是應用于 Windows環(huán)境下的一種可視化編程工具,能迅速有效地進行交互界面設計.利用Windows系統(tǒng)和Visual Basic語言強大的功能能夠開發(fā)出更利于用戶的操作界面,使得系統(tǒng)能夠在同一運行平臺上完成從數據輸入到圖形輸出的全部功能,大大提高了系統(tǒng)的自動化水平.完成的系統(tǒng)界面友好、運行平穩(wěn)、結果可靠.利用Visual Basic對api函數的調用可以方便的操作運行于Windows操作系統(tǒng)的其他軟件,完成更強大的操作.

本文正是在這個基礎上運用VB來完成橋樁的設計.

1 橋樁基礎的設計模型

1.1 樁基礎力學計算模型

當橋梁墩臺樁基礎承臺底部截面形心處承受上部傳來的荷載 ∑N、∑M、∑Q時,承臺和樁都將產生豎向位移、橫向位移和轉角.對于每根樁來說,在樁頂處有相應的剪力Qi、軸向力Ni,彎矩Mi的作用(圖1),如果不考慮軸向力Ni所引起的對樁身任意截面的附加彎矩,每根樁的受力、位移可分解為圖1所示的受力模型進行計算.

圖1中,樁頂處受軸力Ni作用,土層對樁周產生摩阻力,并對樁尖產生支撐阻力.圖1中,由于樁頂處剪力Qi,彎矩Mi的作用,樁身將產生撓曲變形,樁身各點將有橫向位移,因而土面以下的樁身承受土的被動抗力σx(或者稱為彈性抗力).樁在Qi、Mi以及σx共同的作用下,樁身各截面都將承受彎矩和剪力.因此,可以把樁基礎中的每根樁看成是一個承受復雜分布規(guī)律的側向力σx的壓彎構件[1].

1.2 樁基礎內力和位移計算

樁基的內力和位移計算是樁基力學檢驗的基礎和依據,是樁基礎設計的重要組成部分.

1.3 單樁的受力分析

埋置于土中的樁受力后將產生豎向位移、側向位移和轉角,同時樁身承受軸向力、剪力和彎矩.樁的豎向位移將引起樁側土的摩阻力和樁底部的豎向土抗力;樁身的水平位移和轉動將引起樁側土的水平抗力.因此,單樁受力后產生的內力和變形,不僅與樁身剛度有關,且與土的抗力大小有關.

1.4 群樁基礎的平面分析

樁基的樁頂與承臺聯(lián)結成為整體,可以認為樁頂嵌固于剛性承臺中,而樁的下部埋入土中,整個樁基可視為具有剛性承臺的剛架,對群樁樁基的計算實際是求解一個具有剛性承臺的空間剛架.在橋梁基礎設計中,設計人員最常遇到的是具有一或兩個對稱面的,且外力作用于對稱面內的結構形式,故可簡化為平面剛架來處理.根據整個特點,可以使用位移法來求解.

2 橋樁基礎VB程序設計

2.1 程序結構

本程序由三大部分組成:前處理部分、核心計算部分以及后處理部分,其具體組成結構見圖2.

圖2 橋樁程序結構

2.2 界面設計

VB只需程序設計者進行一些簡單的操作,再加上少量的程序代碼就可以設計出滿意的界面,給人意想不到的驚喜.程序主界面如圖3,本軟件還大量使用了對話框.對話框是應用程序與用戶交互的重要手段.在程序運行過程中,對話框可用于捕捉用戶的輸入信息和數據(圖4).

2.3 前處理部分

在此部分將設計、計算、繪圖所需的各種數據交互式輸入計算機.

2.4 核心計算部分

計算部分是整個CAD系統(tǒng)的核心.本系統(tǒng)主要參照《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》[2],《公路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》[3]等來進行構件的設計計算,在結構的靜力計算中采用樁基礎的空間計算模型[4]進行計算.在這部分中主要包括了:樁基礎的空間分析、承臺位移計算、樁頂位移計算、單樁內力和承載力分析等.

用戶點擊主程序的“開始設計”命令菜單后,系統(tǒng)開始讀入用戶輸入數據,并依次進行如下步驟計算:

1)計算各樁的剛度系數矩陣和旋轉變換矩陣;

2)計算樁基礎的整體剛度系數矩陣;

3)求解整體平衡方程,得出樁基礎的整體位移列陣;

4)計算各樁的樁頂位移列陣和樁頂力列陣;

5)搜索得出樁基礎中軸向力最大的樁并檢算其承載力,判斷是否滿足承載力要求,如果滿足可進行下一步計算,如果不滿足,程序將結束,并給出結束信息;

6)求解各樁身內力;

7)轉入后處理程序,輸出相關數據并轉入繪圖程序.

2.5 后處理部分

系統(tǒng)后處理主要包括結構計算數據的顯示和輸出、施工圖的顯示和輸出.后處理的繪圖部分,將計算結果可視化,根據計算分析的數據,利用軟件自有的數據顯示功能顯示,大大方便了用戶.當顯示的結果達到用戶的滿意度后,程序可以生成與AUTOCAD的圖形文件接口的輸出模塊,方便用戶作進一步的修改、編輯和打印.將計算結果導入 Excel顯示,并繪制相應的表格.

3 結束語

本文運用VB進行橋樁的設計,加快了設計橋樁的速度,給出了一個簡潔易懂的可視化平臺,提高了系統(tǒng)自動化水平,為橋梁設計提供了一個簡捷可行的方法.

[1]王慧東,橋梁墩臺與基礎工程[M].北京:中國鐵道出版社,2005:153-162.

[2]鐵道第三勘察設計院.TB10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S]∥北京:中國鐵道出版社,2005.

[3]交通部公路規(guī)劃設計院.JTJ024-85公路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S]∥北京:人民交通出版社,1998.

[4]張界明.樁基作為空間結構的分析[J].西南交通大學學報,1987:265-271.