舒沖

（湖北省孝感市公路工程設(shè)計院 湖北孝感 432000）

鋼筋混凝土公路簡支T梁優(yōu)化設(shè)計分析

舒沖

（湖北省孝感市公路工程設(shè)計院 湖北孝感 432000）

在進行公路建設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要保證公路的使用功能和外觀效果，還應(yīng)充分考慮設(shè)計安全質(zhì)量的問題，這也是公路結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重。在公路建設(shè)工程中最常見簡支T橋梁選取了截面有效高度以及受拉剛進截面面積作為T梁的設(shè)計變量，將T梁的工程造價作為目標(biāo)函數(shù)，并且將目前正在執(zhí)行的《公路橋規(guī)》作為實行的依據(jù)，提出了鋼筋混凝土T梁的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計方案。

鋼筋混凝土；T梁；優(yōu)化設(shè)計

引言

在公路和鐵路的建設(shè)過程中，由于T梁結(jié)構(gòu)的簡單性，以及其制作運輸和后期的養(yǎng)護工作都很便利，T梁不僅維修方便，在建設(shè)過程中T梁的工程造價也較低。在國內(nèi)外的許多高速公路和客運鐵路專線上有廣泛的應(yīng)用，在我們國家的秦沈客運專線上，跨度為12m和16m的梁運用的就是橋面板和橫隔板連接形成整體多片式的鋼筋混凝土T梁，在日本新干線采用的也是T梁結(jié)構(gòu)，日本新干線專線鐵路的跨度為20～40m橋面板和橫隔板連接形成整體多片式的鋼筋混凝土T梁，由此可見，在高速公路和客運鐵路的前兩建設(shè)過程中，T梁的建設(shè)仍然占據(jù)著十分重要的地位，所以對T梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是目前當(dāng)務(wù)之急。

1 鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的簡介

在橋梁建設(shè)過程中最常見的也是最常運用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就是試算法，但是由于在進行試算過程中，試算法往往會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的尺寸過大或者是由于配筋量過多等現(xiàn)象，從而會造成工程材料的浪費，在后期會提高工程造價。近些年來，橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計工作已經(jīng)越來越引起人們的重視，橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作主要考慮的就是怎樣用最低消費來達到預(yù)期制定的規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，從而來實現(xiàn)工程最大的價值，產(chǎn)生最佳的經(jīng)濟效益。

鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計是近些年來的新技術(shù)，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計上一次質(zhì)的飛躍，橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和其他傳統(tǒng)的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計相比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在一定程度上降低工程造價的5～30%。設(shè)計變量就是鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計過程中，不斷調(diào)整賦值設(shè)計變量的參數(shù)，在鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計過程中需要根據(jù)實際的規(guī)定來確定設(shè)計變量的取值范圍。鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)的大小會隨著設(shè)計變量的變化而產(chǎn)生變化。

2 鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計主要包括了橋梁的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量以及約束鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的條件。鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計是一種具有多變量的并且也是存在多約束的優(yōu)化問題，鋼筋混凝土簡支T梁主要是將經(jīng)過研究確定下來的因素作為設(shè)計變量，并且還將滿足工程橋梁強度剛度和穩(wěn)定型以及規(guī)范等相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)制造的要求作為T梁的約束條件和約束函數(shù)。模擬T梁建設(shè)需要達到如工程造價如何做到最低，T梁的重量最輕以及剛度的適中來作為目標(biāo)函數(shù)，最終將鋼筋混凝土簡支T梁的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計抽象的轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)的方法來進行相關(guān)研究。

3 鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的選定

3.1 簡支T梁的設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)

在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計過程中，通常設(shè)計者都會把能夠產(chǎn)生主要影響作用的或者符合設(shè)計要求的參數(shù)作為設(shè)計變量，再根據(jù)實際結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求等因素來進行綜合性的考慮把滿足設(shè)計要求的參數(shù)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的已知參數(shù)，已知參數(shù)可以在鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計時進行擬定，這樣就可以大大的減小設(shè)計計算的工作量。

從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用力、受力以及結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等多種因素進行綜合性考慮，鋼筋混凝土簡支T梁截面的有效高度和縱向受拉鋼筋截面面積，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計中起著主要的影響作用，因此我們通常將鋼筋混凝土簡支T梁截面的有效高度和縱向的受拉鋼筋截面面積作為鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量。設(shè)計變量是鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計過程中的不斷調(diào)整賦值的設(shè)計變量的參數(shù)，在鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的過程中需要根據(jù)實際的具體的規(guī)定來進行設(shè)計變量的取值范圍的確定。

根據(jù)鋼筋混凝土簡支T梁在最不利荷載的組合的作用下，將T梁的梁單位長的鋼筋混凝土使用的費用和剛進費用的總和作為鋼筋混凝土簡支T梁的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的大小會隨著設(shè)計變量的變化而產(chǎn)生變化。

3.2 簡支T梁的約束條件

鋼筋混凝土簡支T梁約束條件是鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計中需要滿足的條件變量，同時也是設(shè)計變量的函數(shù)。對鋼筋混凝土簡支T梁的強度的要求，T梁中性軸在翼緣板內(nèi)時（也被稱為第一類T形截面）可以采用截面為矩形的界面強度的公式來進行試算T梁強度；當(dāng)中性軸在腹板內(nèi)時（第二類T形的截面），為了防止簡支T梁發(fā)生脆性破壞，就應(yīng)該滿足《公路橋規(guī)》的混凝土受壓區(qū)高度界限系數(shù)和縱向的受拉鋼筋最小配筋率和配筋率的標(biāo)準(zhǔn)。在進行鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的過程中為了防止簡支T梁發(fā)生斜壓破壞，橋梁的截面尺寸就應(yīng)該滿足使用荷載引起的支點截面的最大計算剪力，普通的鋼筋混凝土簡支T梁在短期的荷載作用力作用下最大的豎向擾度應(yīng)該滿足簡支T梁計算跨徑，而在不同條件下的鋼筋混凝土簡支T梁裂縫的最大寬度必須要保證在《公路橋規(guī)》規(guī)定的裂縫的允許值。

4 鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計實例

在某一個裝配式鋼筋混凝土簡支T梁的橋梁，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑是2m，該橋梁配有國家2級鋼筋混凝土8φ32X=R的焊接骨架，鋼筋混凝土的標(biāo)號為25號，橋梁的跨中截面承受彎矩：橋梁永久性荷載彎矩是833.3kN，最基本的可變荷載彎矩是910.9kN，支點剪力是580.8kN，另外鋼筋是78.5kN，混凝土為25kN/m3，混凝土單價是450元/m3，鋼筋價格為3000元/t，嘗試對該橋梁進行鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計。

按照《公路橋規(guī)》的相關(guān)的規(guī)定，再綜合考慮橋梁的荷載安全系數(shù)，經(jīng)過詳細的計算主梁彎矩為2042kN，再對橋梁主梁的有效分布進行計算后得到主梁有效分布寬度為170cm，對橋梁進行鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計可以先采用第一類的T形的截面計算得出截面的高度＞0.0708m，截面高度為0.125m，經(jīng)過相關(guān)的驗算得出該橋梁截面確實屬于第一類T形橋梁截面。再對約束條件進行驗算得出，實際設(shè)計的截面尺寸和鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計比較，實際設(shè)計截面高度較大，但是實際設(shè)計的鋼筋混凝土使用量比優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計前鋼筋混凝土使用量要減少18%。

5 結(jié)束語

綜上所述，在公路和鐵路的建設(shè)過程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其具備的強度大、延性好、整體性強等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，但同時也存在著自身重量大、抗裂性不好、性質(zhì)偏脆等缺點，因此在設(shè)計中除了以上問題以外，還存在著諸多問題，而且涉及范圍較廣。同時由于T梁結(jié)構(gòu)簡單性，以及其制作運輸和后期的養(yǎng)護工作都很便利，T梁不僅維修方便在建設(shè)過程中T梁工程造價也較低，在國內(nèi)外的許多高速公路和客運鐵路專線上廣泛應(yīng)用。由此可見，在高速公路和客運鐵路的橋梁建設(shè)過程中，T梁建設(shè)仍然占據(jù)著十分重要的地位，T梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計工作的研究也是十分有必要的。

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U443.32

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1004-7344（2016）26-0187-02

2016-8-25