计算机辅助斜拉桥设计方法研究

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1、计算机辅助斜拉桥设计方法研究乔建东于向东（长沙铁道学院土建学院）【摘要】本文着重介绍了斜拉桥计算机辅助设计系统（CBD）的系统功能、数据组织及系统中采用的关键技术。并建立了斜拉桥索力调整的非线性规划模型，其中以斜拉桥梁和索塔的拉压及弯曲应变能为目标函数，以结构的位移、弯矩及索力为约束。采用梯度投影法进行求解用以确定成桥合理状态的索力。关键词斜拉桥CAD优化一、前言我国铁道部和交通部的一些设计院以及一些院校、科研单位为满足生产需要，研制了不少能用于斜拉桥结构分析的软件。但这些软件仅具有斜拉桥结构分析的功能。目前国内外尚未见斜拉桥初步设计CAD系统应用于生产。在斜拉桥设计中，设计工程

2、师最重要的工作之一是确定斜拉桥的初始张拉力以获得一个合理的成桥状态。但由于判断合理成桥状态的准则不具唯一性及施工安装中预应力和徐变的影响，使该过程必须进行大量繁琐的工作如节点、单元划分、数据填卡、结果整理与分析等，从而花费设计工程师相当可观的精力。预应力混凝土斜拉桥计算机辅助设计系统（以下称"CBD系统"）是铁道部科技重点开发项目的一个子题，系统立足于通过用户输入必需的结构描述信息后，能全自动地划分节点、单元，根据用户要求进行调索计索计算、正装、倒拆计算及各工况荷载的结构分析，输出结构设计图、主要工程数量及结构分析结果等。利用本系统，用户在预应力混凝土斜拉桥设计中可方便、灵活地修

3、改结构尺寸、反复调索，并迅速得出结构反应值和相关图表，使工程师从繁重的数据处理中解脱出来，而将绝大部分精力集中于结构的优化上，以获得更为经济合理的设讯二、系统简介1．系统环境CBD系统在微机上开发，系统的计算分析核心程序用FORTRAN编写，用户界面及主控程序、数据库管理系统用VC编写。图形环境为AUTCADV14．0。2．系统功能（l）自动划分单元、节点、生成单元节点图。(2）自动按刚性连续梁法调索。也可由用户输入控制节点位移或控制索力值进行调索。也可由用户输入控制节点位移、控制索力值的上下限或梁塔截面弯矩的上下限值由系统进行优化调索。（3）调索后的恒载内力与索力计算。（4）活

4、载内力与索力计算。（5）按施工逆序倒拆，计算一次安装索力。(6）施工安装各阶段内力计算。(7）生成斜拉桥总体图及梁、塔结构图、工程数量表。（8）系统管理：系统所有功能的实现均由中文案单控制，界面友好。系统的数据输入有引导方式（中文提示）、文件方式两种。3．适用范围（l）桥位于直线上。（2）斜拉桥最多有三跨，跨度及塔可以不对称。（3）斜拉桥两侧的连续引桥跨跨数不受限制。(4）单、双铁路桥或任意桥宽的公路桥。（5）斜拉桥主墩间可设辅助墩。(6）塔、梁均为混凝土结构。(7）塔、梁、墩连接形式有：悬浮体系；梁支承于墩上；塔、梁、墩固接。(8）塔的类型有：栈桥向为柱型、门形、钻石形及倒Y形

5、。顺桥向为柱型及倒Y形。但横、顺桥向不能同时为倒Y形。4．系统结构及功能模块CBD系统共分为四个主要功能模块，共设3级子菜单。全部采用下拉式（见图1）。功能菜单结构分析中的一次性计算指包括施工安装、成桥二期恒载、活载、徐变、温度的全部计算。5．数据库管理CBD系统为满足系统内部的计算分析、数据交互及各种图形的输出开发了数据管理系统。所有数据均由数据库统一管理并支持FORTRAN语言、C语言和AUTLISP语言从而减少了不同语言调用数据时的大量临时数据文件。此外，数据库中存放有大量已建成的斜拉桥的各种数据，在系统菜单的帮助功能中可随时查阅。三、系统关键技术CBD作为一个预应力混凝土

6、斜拉桥的大型计算机辅助设计软件，具有输入数据少、自动化程度高的特点。软件编制过程中采用了以下主要技术：1．优化模型的建立（1）影响向量及影响矩阵斜拉桥索力优化计算模型中一般取斜拉索的初张力作为变量，以各索力的单位初张力作用于无应力状态的全桥模型，得到对全桥各单元内力的影响值而组成影响矩阵。如定义{x}为索力初试张拉力。［DA」，［PA」为节点位移、索力在某单位索力作用下的影响矩阵。{DD}，{PD}为节点位移、索力在结构自重作用下的数值组成的列阵。则成桥状态的节点位移为：{D}＝{DD}＋[DA]{X}。各斜拉索索力为：{P}＝｛PD｝＋［PA］{X}，各截面的内力为[ML]＝{

7、MLD}＋［MLA」{x}；［MR」={MRD}+[MRA]{x}［NL」＝{NLD}＋「NLA」{x}；[INR]＝{NRD}＋[NRA]{x}其中，{MLD}，{MRD}，{NLD}及{NRD}为单元弯矩、轴力在结构自重作用下的左右端数值，［MLA」，［MRA」，［NLA」及［NRA」为单元两端弯矩、轴力在单位索力作用下的影响矩阵。{ML}，{MR}，｛NL｝，｛NRI单元两端弯矩和轴力的成桥内力列阵。(2)优化目标有约束的最小能量法的优化目标可选梁部及索塔的弯曲应变能或梁部