張世基 韓廣暉 馮 凱

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌具有占地少、施工速度快、線路轉彎半徑小、爬坡能力強等特點,是一種優(yōu)良的中運量軌道交通系統?？缱絾诬壈l(fā)源于歐洲,美國、德國、日本、新加坡、巴西等許多國家都修建了跨座式單軌線路。我國自重慶市引入跨座式單軌交通系統以來,很多學者對跨座式單軌體系橋梁結構進行研究,積極推動跨座式單軌國產化、自主化和技術創(chuàng)新。宋浩結合BIM 技術對區(qū)間軌道梁線形控制技術開展研究[1];聶桂良等對豎向荷載作用下單線和復線鋼軌道梁進行受力和變形性能研究[2];蔣依壇等對單軌橋高墩結構進行振動特性試驗和有限元分析[3];路曉宇等對比連續(xù)剛構體系與簡支體系軌道梁特點,闡述連續(xù)剛構體系軌道梁的優(yōu)越性[4];王宏亮開展考慮滑移效應的單軌交通鋼混組合軌道梁-車輛耦合系統動力及低頻噪聲問題研究[5]。

近年來,隨著我國基礎設施建設的加速和計算機技術的進步,橋梁計算機輔助設計軟件(如橋梁博士、MIDAS、橋梁通、橋梁設計師等)在工程中得到廣泛應用,極大推動工程行業(yè)的進步。吳平川等結合橋梁設計軟件MIDAS civil 方便高效的前處理功能和通用有限元軟件ABAQUS 強大的分析功能,開發(fā)從MIDAS civil 到ABAQUS 軟件的接口程序[6];許卓偉針對公路互通立交曲線梁橋CAD 系統開展研究[7];王高科對高速公路橋梁施工圖繪圖方法進行探討[8]。目前,市場上缺乏滿足跨座式軌道交通橋梁設計需求的軟件。

以下從連續(xù)剛構體系跨座式單軌橋梁的設計特點出發(fā),研究設計過程中遇到的布置、計算、繪圖和算量等問題,開發(fā)一種適應跨座式單軌橋梁特點的一體化設計軟件,以期達到提高設計效率、改善設計質量的目的。

2 軟件的流程和功能模塊劃分

蕪湖跨座式單軌采用連續(xù)剛構體橋梁體系,該體系對橋梁設計軟件功能提出新的需求。連續(xù)剛構體系中,軌道梁結構在不同支點處高度不同,要求設計軟件支持變高度連續(xù)剛構橋梁的繪制;連續(xù)剛構體系具有超靜定的結構特點,基礎受力分析與上部結構耦合度高,樁基礎需要進行迭代試算;單軌橋梁具有“梁軌合一”的特點,軌道梁定位精度誤差控制在毫米級,單軌橋的設計過程中需對橋墩位置、軌道梁位置、軌道梁超高和墊石超高進行精確計算;單軌橋區(qū)間包含PC 簡支梁、鋼混結合梁、連續(xù)PC 梁等多種類型的結構,以及支座、預埋件、附屬結構等,容易造成工程數量計算紕漏。

針對連續(xù)體系軌道梁橋的特點,考慮采用軟件開發(fā)的方法解決上述問題。結合橋梁設計流程,采用面向對象的方式進行軟件開發(fā),規(guī)劃軟件使用流程,劃分功能模塊。軟件的流程和功能模塊劃分如圖1 所示。

圖1 軟件流程和功能模塊劃分

單軌橋梁的設計流程可概括為:獲取設計邊界條件→橋梁孔跨布設→墩梁定位計算→橋墩及基礎設計和計算→橋梁平立面布置圖繪制→橋梁工程數量統計。按照使用功能將軟件模塊分為:設計邊界條件輸入、數據庫管理、橋梁結構設計計算、設計成果輸出4 部分。采用MVC(模型-視圖-控制器)模式進行分層開發(fā),在模型層采用組合關系對橋梁結構數據進行組織,在控制器層進行專業(yè)計算功能的實現,在視圖層進行結果數據的可視化和輸出。

為方便對項目設計資源進行統一管理和重復利用,采用數據庫的方式存儲橋梁構件幾何參數、荷載信息、圖塊、工程數量信息,對應設計橋墩、梁部、基礎、荷載工況、材料、控制條件等數據庫表單,開發(fā)對數據庫的編輯功能和交互界面窗口。

3 跨座式單軌軌道梁橋關鍵功能模塊

針對軌道梁橋布置、連續(xù)剛構體系基礎計算、軌道梁橋圖紙繪制、工程數量計算的特點,進行軌道梁橋孔跨布置模塊、樁基礎計算模塊、立面圖繪制模塊、工程數量計算模塊開發(fā)思路和實現方法的介紹。

3.1 軌道梁橋孔跨布置模塊

孔跨布置模塊的功能是在線路、地形、地質等設計邊界條件和橋梁布跨指導原則明確的條件下,選擇合理的上部結構孔跨布置組合來確定墩臺的位置,得到滿足經濟技術條件等要求的合理布跨方案,其流程如圖2 所示。

圖2 軌道梁橋布跨流程

(1)孔跨布置和墩梁定位

單軌軌道梁橋在布跨計算基準線路的選擇和布跨方式上與鐵路橋梁存在區(qū)別。以雙線橋梁為例,在計算基準線的選擇上,鐵路橋梁以左線為基準線,依靠單一的線路左線進行橋墩的平面定位;單軌橋梁基準線為虛擬中線,根據左右線推算得到,如圖3 所示。上部結構的布置方式上,曲線上橋梁、鐵路簡支梁橋采用平分中矢法布置,連續(xù)梁橋采用曲梁曲做布置;單軌橋的各種梁型均采用曲梁曲做。軌道梁橋采用虛擬中線長度等于名義跨度的方式進行布跨,以跨度30 m 為例,在曲線內側的軌道梁實際長度小于30 m,而在曲線外側的軌道梁的實際長度大于30 m。

橋梁立面中高程定位計算同樣需要同時依靠左線和右線,根據對應的左右線樁號分別計算高程后取平均值。

軟件開發(fā)中,在控制層編寫橋梁布置計算工具類(LayOut Class),根據控制墩樁號和橋梁孔跨組合計算每個墩位處樁號。在模型層編寫路線類(Alignment Class),用平面線屬性和縱斷面屬性存放線路平面和縱斷面數據,編寫坐標獲取方法獲取樁號對應的平面坐標,編寫高程獲取方法獲取樁號對應的高程。采用多線計算工具類(Alignment Utility Class)解決多條路線間平面位置的計算。多線計算方法可根據任意基準線里程和橋墩與基準線的夾角計算其余線對應的里程和高程,設計UI 窗口進行交互,滿足參數調整和計算結果顯示,如圖4 所示。

圖4 多線間樁號計算

(2)基礎和預埋件定位

在橋墩定位的基礎上研究局部構件(如預埋件)定位計算方法。編寫坐標系轉換類(Transform Class),將局部坐標轉換至整體坐標系下,實現預埋件的精確定位計算。坐標系轉換類通過構造3×4 階矩陣存儲旋轉和平移數據,局部和整體坐標轉換通過矩陣疊加完成。

基樁定位計算中,根據基礎和橋墩定位線的相對位置關系,構造以橋墩定位線為基準線的橋墩局部坐標系和以基礎中心為基準的基礎局部坐標系,如圖5 所示。將上述2 個坐標系疊加后,得到整體坐標系下基樁的位置。

圖5 基樁定位計算坐標系

橋墩臨時支撐的定位計算中,以軌道梁端部為原點,建立梁部局部坐標系,在梁部局部坐標系下,考慮制造過程軌道梁高度變化因素后,確定臨時支撐點頂部的局部坐標,經矩陣運算后得到整體坐標系下支撐點位置。臨時支撐與軌道梁和橋墩的關系如圖6所示。

圖6 臨時支撐示意

3.2 連續(xù)剛構體系軌道梁橋樁基礎計算模塊

樁基礎的設計和地質情況息息相關,樁基礎計算依據地質資料土層參數。為解決樁基計算中土層參數快速獲取和多點地質資料快速輸入等問題,利用CAD圖元代表土層的方法實現土層位置的標記,如圖7 所示,使用不同圖層來進行地質土層信息的管理。軟件開發(fā)中,在模型層編寫土層類(SoilData Class)進行土層數據的管理。在控制層編寫土層操作類(Soil Utility Class)處理土層信息,以實現樁基計算所需的地質參數快速獲取。

圖7 土層標記方法示意(單位:m)

連續(xù)剛構體系屬于超靜定結構,基礎剛度會對結構內力產生影響。對整聯結構進行內力分析前,先假定基礎剛度,按假定基礎剛度分析內力進行樁長計算,根據計算結果修正計算模型中基礎的剛度,重復上述計算過程,直至兩次計算結果滿足收斂要求。樁長迭代計算流程如圖8 所示。為了使迭代結果快速收斂,樁長修正采用二分法進行(利用本次計算得到的樁長和上一次樁長的平均值作為下次計算的初始值)。

圖8 樁長迭代計算流程

3.3 軌道梁橋平立面圖繪制模塊

軌道梁橋平立面布置繪圖過程分為橋墩和基礎圖元繪制、文字及標注信息繪制2 部分。橋梁構件標準化程度高,繪圖過程圍繞構件進行,構件圖元繪制完成后,再進行標注和文字信息繪制。

程序設計時,針對橋墩、基礎、軌道梁等不同類型的構件類,分別編寫繪圖方法來完成結構輪廓和標注文字繪制。繪制過程以1 跨為基本單元,依次調用梁部類、橋墩類、基礎類中的繪圖方法,遍歷全橋構件完成全橋圖的繪制。變高連續(xù)結構梁部繪制以1 聯梁為單位,變高段的繪制采用長度和高度2 個參數控制。利用軟件繪制的橋梁立面如圖9 所示,包括上下部結構的位置、尺寸信息以及控制高程信息。

圖9 連續(xù)剛構軌道梁橋立面(高程單位:m,其余:cm)

3.4 軌道梁橋工程數量計算及輸出模塊

為方便分類計算,將軌道梁橋工程量分為主體結構工程和附屬工程2 部分。主體結構中梁部按榀(聯)來計算,橋墩按照組成及材料種類進行計算,基礎按照結構主體和開挖工程進行計算。附屬工程依托于主體工程采用配置公式進行計算。

程序開發(fā)的過程中,數量項采用編碼的方式進行標記和管理。在模型層編寫工程數量項類(Quantity Item Class)進行數量項的存儲,在數據庫中將標準構件的數量以表格的形式進行保存。在控制層編寫工程數量計算類(Bill Class)對構件中存儲的數量進行統計存儲,匯總相同數量項。

工程數量的輸出采用模板配置的方式。在預先設置好的Excel 數量模板中,按照工程數量項逐一對應填寫輸出編碼和公式,輸出編碼與數據庫中的數量項編碼形成映射關系。輸出工程數量表時,依次使用數值替換編碼,以某工點為例,部分編碼與數量如圖10 所示。

圖10 工程數量編碼與數量

3.5 軟件效率

以某區(qū)間軌道梁橋設計為例,采用手工計算和繪圖耗時20 d,使用軌道梁橋設計軟件后耗時5 d,提高約4 倍的工作效率。

4 結語

針對跨座式單軌橋梁設計過程中遇到的孔跨布置、樁基礎計算、圖紙繪制和工程數量統計等問題,提出依托線路左線、右線和虛擬中線進行橋墩、軌道梁定位的算法;采用迭代試算的方法解決連續(xù)剛構樁基礎批量計算的問題,通過圖元化的土層標記解決快速獲取地質土層信息問題;采用單基點定位多參數控制的方法解決變高連續(xù)結構立面圖繪制問題;采用編碼連接工程量數據庫和Excel 表格的方法進行數量快速檢索及匯總輸出。

在提出解決方法的基礎上,采用C++編程語言,依托AutoCAD 進行軌道梁橋設計軟件開發(fā),軟件應用于蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線工程橋梁設計中,為跨座式軌道交通連續(xù)剛構體系橋梁設計提供了有效的工具支撐。