馬天樂

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

橋梁設(shè)計(jì)及施工中，預(yù)應(yīng)力束的張拉一般釆用張拉力和引伸量雙控，因此預(yù)應(yīng)力束引伸量的求解是很重要的。但是在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)實(shí)際的引伸量值與引伸量計(jì)算值誤差過(guò)大，解決這個(gè)問(wèn)題一方面是要求理論計(jì)算中參數(shù)的取值與實(shí)際值一致，另一方面也要求計(jì)算值是精確的，滿足工程要求精度的。目前的引伸量計(jì)算更多的是基于平面內(nèi)曲線的，當(dāng)實(shí)際工程中的鋼束往往有平彎或曲面內(nèi)的曲線，如何精確求解這類空間曲線是本文的主要目的。

本文結(jié)合AutoCAD 的二次開發(fā)功能提出一種快速、直觀、準(zhǔn)確的計(jì)算空間復(fù)雜形狀預(yù)應(yīng)力束引伸量的方法。Arx.Net 二次開發(fā)是AutoCAD 2006 及以后版本都支持的新的AutoCAD 二次開發(fā)工具。該方法基于Microsoft.Net，是目前主流編程方法，也是今后的發(fā)展趨勢(shì)。與其他開發(fā)方式相比該開發(fā)方式有開發(fā)速度快，運(yùn)行速度快，自動(dòng)按需加載，程序不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，健壯性好等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了結(jié)合Arx.Net 二次開發(fā)計(jì)算復(fù)雜形狀預(yù)應(yīng)力束的引伸量的方法。

1 在AutoCAD 中計(jì)算任意空間預(yù)應(yīng)力束引伸量的方法

1)空間曲線預(yù)應(yīng)力引伸量計(jì)算。

根據(jù)橋梁規(guī)范［1，2］，預(yù)應(yīng)力束在張拉過(guò)程中，任意一點(diǎn)處的應(yīng)力為:

其中，σk為錨下控制張拉應(yīng)力;k 為管道線摩阻系數(shù);x 為張拉端到計(jì)算點(diǎn)預(yù)應(yīng)力束空間長(zhǎng)度;μ 為管道角摩阻系數(shù);θ 為張拉端到計(jì)算點(diǎn)預(yù)應(yīng)力束空間轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

采用某點(diǎn)處微單元計(jì)算，如微單元起點(diǎn)鋼束應(yīng)力為σ1，則微單元終點(diǎn)的鋼束應(yīng)力為:

計(jì)算微單元引伸量方法為:

其中，Es為鋼束彈性模量;s 為微單元長(zhǎng)度。此外，微單元引伸量如果用平均應(yīng)力求解將會(huì)有比較大的誤差。

2)空間曲線微段的空間轉(zhuǎn)角計(jì)算。

在求解應(yīng)力和引伸量的過(guò)程中，需求解曲線微段的空間轉(zhuǎn)角，以往手工計(jì)算，這一項(xiàng)幾乎很難做到，利用AutoCAD 的功能我們可以輕松的計(jì)算空間轉(zhuǎn)角。AutoCAD 中的曲線，包括直線、圓弧、多義線、樣條曲線等都有共同的基類Curve(Arx 中為Acdb-Curve)，求解空間轉(zhuǎn)角就可以利用Curve 對(duì)象的函數(shù)GetFirstDerivative(distance)，該函數(shù)得到的是曲線在某個(gè)位置的一階導(dǎo)數(shù)，輸入的參數(shù)distance 表示距離起點(diǎn)的長(zhǎng)度，返回的結(jié)果表示是一個(gè)向量Vector3d，利用該功能求出微段起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)，就可計(jì)算出該曲線微段的空間轉(zhuǎn)角。

3)計(jì)算鋼束應(yīng)力的代碼實(shí)現(xiàn)。

參數(shù)Curve——代表的是鋼束曲線，該曲線是空間曲線;

參數(shù)LenX——代表的是曲線的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度可以是整根曲線的長(zhǎng)度，也可以是曲線部分的長(zhǎng)度，返回的值是曲線到該段長(zhǎng)度處的應(yīng)力;

參數(shù)IsYL——返回曲線段的終點(diǎn)處應(yīng)力，還是返回終點(diǎn)處的引伸量值;

2 各種條件下預(yù)應(yīng)力束引伸量的求解

1)單端張拉。

由上述方法，可求得空間束上，任意微小段的曲線長(zhǎng)和該段微小轉(zhuǎn)角，利用式(1)逐段遞推，可以求出任意微段上的空間轉(zhuǎn)角和應(yīng)力，由式(2)求得該微段的引伸量，將每個(gè)微段引伸量累加，就得到了單端張拉空間預(yù)應(yīng)力束的引伸量。

2)雙端張拉。

若預(yù)應(yīng)力束為不對(duì)稱雙端張拉，則兩端的引伸量需分別求解，問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何找到變形不動(dòng)點(diǎn)。不對(duì)稱預(yù)應(yīng)力束的變形不動(dòng)點(diǎn)位置是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，在實(shí)際張拉過(guò)程中，受兩端千斤頂行程速度、功率以及管道摩阻的不均勻性等影響，無(wú)法預(yù)知真正的不動(dòng)點(diǎn)。

一般理論計(jì)算時(shí)，假定左右兩端分別向不動(dòng)點(diǎn)計(jì)算摩阻損失，得到的量值相等，也就是不動(dòng)點(diǎn)左右面的應(yīng)力應(yīng)該相等。由于預(yù)應(yīng)力束是一條空間光滑曲線，任意一端向另一端求摩阻損失的函數(shù)，應(yīng)該是單調(diào)、連續(xù)、光滑的，見圖1。

圖1 不對(duì)稱空間束單向摩阻損失曲線

由此可見，這兩條摩阻損失曲線必然有交點(diǎn)Xd，也就是不動(dòng)點(diǎn)。電算過(guò)程中，可以先假定不動(dòng)點(diǎn)的位置在鋼束的中點(diǎn)，由兩端分別向不動(dòng)點(diǎn)求單端張拉的累計(jì)摩阻損失，然后采用二分法，不斷循環(huán)，使得兩端摩阻計(jì)算值趨于相等。由于這兩條曲線為連續(xù)、光滑、單調(diào)的，所以這個(gè)迭代過(guò)程必定是收斂的，最后便可求出真正的不動(dòng)點(diǎn)位置。求出不動(dòng)點(diǎn)位置后，左右兩端的引伸量只要分別釆用單端張拉求解法便能得出。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力束對(duì)稱且為雙端張拉的情況，也只是上述情況的一個(gè)特例，算法無(wú)需改動(dòng)，這樣編寫代碼統(tǒng)一更易于理解和維護(hù)。

3)直線梁斜腹板內(nèi)預(yù)應(yīng)力束引伸量的求解。

AutoCAD 中用多義線描述鋼束，則該線本身即為三維曲線，理論上可以描述任何復(fù)雜形狀的預(yù)應(yīng)力束型，但是實(shí)際上要求用戶繪制出三維曲線是很困難的。

直線梁斜腹板內(nèi)預(yù)應(yīng)力束引伸量的求解:讓用戶繪制出斜腹板在豎直截面上的投影，再給出腹板的斜率，程序自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，再對(duì)該三維曲線計(jì)算求解引伸量。

曲線梁斜腹板內(nèi)預(yù)應(yīng)力束引伸量的求解:對(duì)于在圓曲線上的等截面連續(xù)梁，要求用戶給出斜腹板斜率和梁中心線曲率，可以計(jì)算出鋼束任意一點(diǎn)的平面曲率，由此可以計(jì)算出鋼束任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)。此時(shí)需要注意，由于平面曲線的影響，鋼束線形為在一個(gè)圓臺(tái)表面的曲線。

通用方法:這里作者采用的方法是通過(guò)程序生成的樣條曲線。按照笛卡爾坐標(biāo)系，向上為Z 軸，先按照某個(gè)步長(zhǎng)求出曲線在XOY 平面上的點(diǎn)，再根據(jù)曲線的豎彎求出對(duì)應(yīng)的Z 坐標(biāo)。這樣就形成了一條空間的曲線。此時(shí)在CAD 中可以用樣條曲線擬合的方法得到該曲線。按此方法求出樣條曲線后，按本文前面所述一般的方法計(jì)算鋼束引伸量。

3 采用空間曲線與直線算法進(jìn)行比較

分別取如圖2 所示平面曲線①組A，B，C 三根鋼束和曲面曲線②組A'，B'，C'三根進(jìn)行引伸量計(jì)算。曲面曲線②組鋼束取直線鋼束投影在半徑為500 m 的曲面上，②組曲線的展開長(zhǎng)度等于①組曲線。計(jì)算參數(shù)取值:摩阻系數(shù)μ=0.16，管道偏差系數(shù)k=0.001 5，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。采用兩種方法計(jì)算的引伸量見表1。

圖2 鋼束平面曲線圖

表1 引伸量計(jì)算結(jié)果表

由此可見，采用直線計(jì)算而忽略平面曲線的計(jì)算是存在一定誤差的，并且誤差隨著曲線長(zhǎng)度增加而增加。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于負(fù)責(zé)線形的曲線，手工計(jì)算引伸量的工作復(fù)雜且困難，采用AutoCAD 二次開發(fā)的方法，使計(jì)算快速、易于操作，而且精度更高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

［1］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］龔建峰，張 瑾.空間曲線預(yù)應(yīng)力束幾何計(jì)算［J］.華東公路，1997(2) ：92-93.

［3］肖 軍，徐秀芳.任意空間預(yù)應(yīng)力束引伸量實(shí)用CAD 電算求解法［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(2) ：40-42.

［4］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1999.