桥梁博士 - 调索工具的试用报告 - 图文

关于桥梁博士——调索工具的试用报告

桥梁博士系统是一个集可视化数据处理、数据库管理、结构分析、打印与帮助为一体的综合性桥梁结构设计与施工计算系统。系统的编制完全按照桥梁设计与施工过程进行，密切结合桥梁设计规范，充分利用现代计算机技术，完全符合设计人员的习惯。对结构的计算是宁繁勿简，充分考虑了各种结构的复杂组成与施工情况，使用更方便，计算更精确；同时在数据输入的容错性方面作了大量的工作，使用户不会因一时的失误而造成不必要的工作损失。

本系统寄托在Windows平台上，充分利用Windows平台的特点：标准一致的用户界面、多任务系统、鼠标的点取和强大的设备支持特性。另外，Dr.Bridge系统抛弃了以往陈旧的编程思想，改用面向对象程序编制方法，使得用户对系统的干预大大加强，便于处理各种复杂情况，也使得计算机的呆板性得到了解决。 同时，系统以MFC基本类库为基础，大大降低了系统对硬件的依赖性，便于未来64位操作系统的移植和升级。

自1995年投向市场以来设计计算了钢筋混凝土及预应力混凝土连续梁、刚构、连续拱、桁架梁、斜拉桥等多种桥梁。在设计过程中充分发挥了程序实用性强、可操作性好、自动化程度较高等特点，对于提高桥梁设计能力起到了很好的作用。在设计应用过程中，通过实践校核及与其它软件的比较，桥梁博士进行了完善和扩充，进一步得到了稳定。

这次改版主要按照《公路桥涵设计通用规范》 JTG D60-2004和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 JTG D62-2004进行补充修改。并对程序的前处理和后处理部分在原有的基础上做了大的改进，扩充的每个功能块都凝聚着开发组多年来的心血，都是经过认真的总结、研究和精心设计而最终完成的；同时密切与桥梁工程设计实践相结合，借助力学技术和计算机技术全力解决用户在桥梁工程设计过程中碰到的棘手的数据处理问题，使用户能够集中精力解决桥梁结构的合理性问题。节约数据处理时间、辅助用户设计是本次桥梁博士升级的两大主要特点。

斜拉桥等索结构在设计阶段计算中存在确定成桥最优索力和施工张拉力两大难题。其确定原则虽然已经给出了多种理论和方法，但在实际应用过程中仍存在很多问题，较难得到满意的解决方案。我们在多年的工程实践中感觉到斜拉桥索力难以确定的主要原因是主梁应力与索力的构成和实施张索的过程紧密相关，如果对索力的组成不加以区分，张索过程不合理，则调索过程将进入一个极其复杂的凑试过程，要得到满意的解决方案需要花费大量的时间和精力。特别是在公路04规范压应力指标加以严格限制的条件下，调索难度更是大大增加。

索力的主要作用是解决主梁的荷载弯矩。主梁的荷载弯矩主要由三部分荷载引起：

1. 悬臂施工时主梁的重量 2. 成桥的二期铺装 3. 活载

如果索力能够在上述荷载施加后马上调整至竖向力平衡状态，则主梁的受力更为均匀。上述三种荷载中主梁自重、二期铺装弯矩容易解决，可通过施工过程中张拉索力来实现。但活载弯矩在局部存在较大双向弯矩的特征，由索力来调整较难，大部分局部活载弯矩应力最好由预应力来解决。按上述分析调索过程可分为如下步骤：

1. 悬臂施工时拉索主要平衡节段重量，在结构体系合理且富裕的情况下还可预考虑部分二期铺装，

以便减少成桥索力调整施工工作量

2. 成桥后做部分索力调整，解决铺装产生的弯矩

3. 配置局部预应力，解决弯矩较大的局部区域应力配置整体施工预应力，解决主梁施工安全性

4. 计算应力包络图、成桥应力图

5. 根据应力包络图和成桥应力图的特征，适当调整拉索张拉力，使上下缘在长期状态下和极端条件

下应力分布更为均匀合理 6. 观察塔顶位移

如此可较快得到合理拉索张拉力方案，但调索过程中仍存在多次试算和微量调整过程，为此桥博3.0中提供了一个交互式的调索工具，利用此工具可进一步缩短调索过程，如果再配套调束工具则完成斜拉桥的设计计算就不再令人感到棘手了。以下将详细描述调索工具的使用操作，在准备调索之前首先需要准备好工程计算项目，在调索期间，工程项目可不必考虑空挂篮张拉、挂篮加载等琐碎步骤，一个节段只需模拟一个施工阶段即可（即：安装节段单元、挂篮前移到位、拉索索力调整、施工预应力张拉以及横梁荷载施加都可在一个施工阶段内完成），这样计算时间可大大缩短，避免浪费精力。

一、打开调索窗口 1.1工程项目准备

l 、建立工程计算项目，在总体信息中选择生成调索信息，执行项目计算； 2、“数据”菜单中 选择“调索”

3、 界面显示如下图所示（图16－1）

图16－1 1.2数据交互与窗口组成（各部分功能区的操作详见后述）

“调索”与“调束”相似，也是在桥博的基础上开发的，与桥博之间可以进行数据交互。 首次打开“调索”文件时程序从“计算结果”中读取索力信息（包括张拉力与张拉阶段）。在调索过程中可以通过“重载索力”、 “重载效应”等操作从桥博“计 算结果”中调用相关信息并作为此后调索的初始状态。

“调索”的结果可以通过“上传桥博”反馈到桥博“原始数据”，项目重新计算后才能获得准确的计算结果。

索力与效应等信息在“调索”中的不同区域显示。 l 、 功能区

完成“调索”界面与桥博的数据交互操作以及“调索”界面数据管理 2 、效应区

以桥博的计算结果形成效应图作为此后调整索力的初始效应并根据“调索”界面中索力的变化刷新效应图 3 、调索区

交互编辑拉索索力 4、拉索管理窗

可显示或隐藏指定拉索

1.3注意事项

工程项目在后台计算过程中，窗口中的索力信息应注意不要修改，否则其变化无法反映到效应图中， 同时在读取调索数据时也容易产生错误，此时只 能耐心等待。 2、调索界面操作 2.1功能区

1、重载索力：将桥梁博士中的索力数据重新载入到调索界面中，“调索”中索力被删除，结构效应同步刷新。 注意：重载索力的操作意味着放弃对索力已做的调整，一般在调索混乱后或项目施工方案改变后使用。

2、重载效应：将项目的最新效应置为此后调索的初始效应。

注意：该操作一般用在上传索力数据、项目重新计算后，或改变预应力、荷载等重新计算后，主要目的是消除收缩、徐变影响或计入预应力影响等， 以获得当前状态下结构的准确效应，用户需确保当前索力与项目计算中的索力状态相同，也就是说此时的索力与结构效应是匹配的。

3、上传桥博：将调索界面中的索力数据上传到桥梁博士中，覆盖原始数据，在上传过程中索力作用的施工阶段与原来保持一致。

注意：该项操作一般用于将调整后的数据上传到桥博中重新执行项目计算，以获得准确的计算结果（包含徐变与收缩效应）。若上传时数据文件已打开，需将数据窗口关闭，再将数据窗口打开才能看到索力数据的变化，此时再重新计算。

4、调索次号：在项目计算并生成调索文件时程序从原始数据中读入索力张拉值与张拉阶段，并记录每根拉索的张拉次数形成调索次号。根据所有拉索在施工阶段中重复张拉的最大次数（n）来确定调索最大次号，

并将每根拉索对应的施工索力按张拉顺序依次排列在第1次到第n次调索次号中。因此在同一个调索次号中的拉索其张拉的实际施工阶段（施工内容）可能不同。

5、约束定义：在对称结构中一般索力也是对称的，使用拉索间的约束关系可减少工作量并防止出现人为的错误调整。设置约束关系后仅调整主索索力，从索自动更新。约束定义窗口如图16－2。拉索间的约束关系在每个调索次号中都需要定义。

1)主、从索名：需确定约束关系的拉索名称，索名即为拉索单元的单元名称，若单元名称空缺则程序自动用单元号（索号）替代。

2)约束关系：拉索之间索力的相关关系，程序提供了三个选项（索力相同，水平力相同，竖向力相同）。 3)索力调整信息：包括拉索的索号、索名、调索次号、调索阶段号、索力初值、索力当前值及索力变化量。其中索力初值为打开当前的调索文件时各索的索力初始值，索力变化量为当前索力值与索力初始值的差值。 4)约束检查信息：检查主、从索约束关系是否合理。若出现不合理约束将在信息窗口中提示，在退出窗口时提示存在不正确的约束关系，是否修改。若选是则回到编辑窗口，若选否则关闭窗口，保留错误的约束关系但不应用。如图16－3。

6、显示设置：可设置的图形操作界面（索力座标系）的显示参数，一旦修改了参数需选择“按设定重新布局”刷新图形。显示设置界面如图16－4。

1)索力方向定义：索力座标系中显示的索力值，可为索力绝对值、索力水平分量或竖向分量。观察主梁效应时宜采用索力竖向分量，观察主塔效应时宜采用索力水平分量。

2)拉索标注名称：可显示拉索单元号或索名，索名即为桥梁博士单元输入信息中各拉索单元对应的单元名称。

3)图形窗口中显示从索：如已设置约束关系则可选择在拉索座标系中显示（或不显示）从索；未设置约束关系时该选项无效。

4) 显示定位线：是否在效应图中显示定位线。效应线表示鼠标移动、编辑索力时在结构中的对应位置，在效应图中以红色虚线标示。

5)顺桥向x座标显示比例：拉索座标系中拉索x座标的放大比例，该比例只是用来调整窗口显示的美观性，一旦设好后最好不再修改。

6)索力刻度间隔：拉索座标系中竖向索力座标的间隔。 7)可显示的最大索力值：拉索座标系中竖向索力座标的最大值。 8)是否按设定重新布局：按新的显示设置刷新图形。

7、刷新方式：不论采用何种刷新方式，所有已定义的、与当前索力调整相关的效应图均同时刷新。

1)刷新效应：点击“刷新效应”时，根据图形操作中索力的变化值来刷新已定义结构效应2)自动刷新效应：每次索力值变化后（鼠标放开后）自动刷新结构效应。3) 启动鼠标移动跟踪：在鼠标拖动索力变化的过程中，结构效应呈动态变化。 2.2 效应窗口操作

对效应图的操作可通过右键菜单命令完成，包括新建、删除、预览、打印、页眉页脚、效应定义、效应设置、清除标注等（如图16－5）。以下对这些命令简单介绍。

1、新建（删除）：新建（删除）效应图框，图框周边出现蓝色边框时处于选中状态。

2、效应定义：即为图形编辑器界面，工程项目屏蔽，指向当前项目。实际操作时图框需先单击选中再定义。（如图16－6）

3、效应图设置：图形显示设置。可按照图形编辑器绘制效应边线或按座标轴方式显示。若以座标轴方式显示，则在生成的效应图中以横、纵轴替代效应边界。（如图16－7）

1)x座标：仅显示x轴方向单元的效应图 2)y座标：仅显示y轴方向单元的效应图

3)单元座标：以单元的长度方向作为效应图的横轴 4)效应值的比例系数：效应（竖向座标）的放大系数。 5)可显示的最大、最小效应：竖向座标的最值。 6)标注字体高度：效应值字体大小。 7)标注值精确度：效应值小数点后的位数。 8)竖向座标：选中则效应值为竖向标注。

9)效应控制线设置：在效应图中显示效应控制线，控制线的颜色可选。例如在效应图中可标注压应力与拉应力的控制标准，在使用“调索”工具调整结构应力时有参照标准。 4、清除标注：清除选中效应图的标注信息。

5、 增、删、插行（列）命令：在同一效应图框内增加、删除或插入效应图，支持显示多个效应图。 2.3 图形窗口操作

图形窗口操作与cad类似，可通过图形按钮、命令行、图形区直接拖拉等实现对图形的编辑（详见附录2），也可通过树操作（支持右键菜单命令）对图元进行显现、隐藏、锁定。以下对调索操作中可能涉及到的图形编辑作简单介绍。

1 、选中：可通过常规的鼠标点选或窗选，选中一个或多个图元，也可通过树操作选中图元，被选中的图元处于激活（可编辑）状态。

2 、缩放：可通过鼠标滚轮实现，也可用Zoom或ZoomWindow命令实现。（详见附录2） 3、隐藏：“隐藏”命令可以过滤当前不需要的图元，可通过命令行“hide”或树操作实现。 4、bg：参见第15章。

5 、对索力值的操作（拖拉、ac、cv）

1) 通过选中、拖动索单元实现，拖动过程中索力值可在图形窗口内实时显示。该方法一次只能改变一根索的索力。

2)stretch：可实现对一个或多个索单元同时处理，运用该命令时第一次选择编辑单元（蓝框），第二次选择拉伸夹点（红框），通过鼠标移动改变夹点座标（索力值），也可通过命令行输入控制索力值。 stretch enter 选中对象 选择夹点 enter 选择基点

enter 确定偏移距离 enter3)ac：设置索力延伸边界，选中一个或多个拉索，将索力值延伸到该边界处。斜拉索的竖向分力通常都符合某种规律（与节段重量对应），可预先设定索力边界，对多个索力进行一次性操作，这种操作多用于调整阶段索力。

绘制索力延伸边界 ac enter 选择索力边界 enter 选择索单元 enter 图16－8即为事先设定圆弧边界后用ac命令将所有索力延伸到对应的边界值。

4)cv：打开“调整索力值”窗口，在表格中输入索力值。（如图16－9）

cv enter

3、调索操作流程

调索的目的是为了确定施工索力、成桥索力，使结构在施工、成桥与使用阶段均能保持良好的受力状态。 调索文件既可以用来调整索力并实时观察结构效应变化，也可以作为索力快速输入的工具。 3.1调索前的数据准备

1)、在桥博的输入窗口中完成结构的几何模拟、预应力束模拟、施工阶段模拟与成桥荷载模拟，确定项目计算的控制参数；

2)、 施工阶段的模拟宜简化处理，即不考虑实际施工中的挂篮前移、浇注混凝土、转移锚固等操作，每个节段的施工用一个阶段模拟，安装杆件、施加荷载、张拉斜拉索、张拉预应力束均在这个施工过程中完成，其目的是首先确定施工索力与成桥索力，简化施工过程，减少调索时项目反复计算的时间，施工索力的细化工作可在施工、成桥索力确定后再考虑；

3)、施工模拟时结构的施工索力与成桥索力是未知的，在索力的张拉阶段确定拉索的编号，索力可填写一任意的值，真实索力的输入可通过“调索”文件完成； 4)、选择“生成调索信息”，“执行项目计算”；

3.2初步确定施工、成桥索力1)打开“调索”文件，“重载索力”，图形窗口中出现索力座标系，调整“显示设置”参数，使索力座标系的显示清晰、合理； 2)根据结构的对应关系确定拉索的约束关系；

3)定义效应图，输出控制施工阶段和成桥阶段的效应图（如结构是对称的，为了提高刷新速度可以只定义一半结构的效应）；

4)根据相应施工阶段与成桥阶段的荷载初步确定拉索的张拉力，由于对施工阶段的模拟作简化处理，此时调索次号中“第1次调索”对应的索力即为所有拉索的节段施工张拉力，“第2次调索”即为调整成桥索力，如果成桥索力存在重复张拉则会出现更大的调索次号，用“stretch”命令或“ac”命令确定索力张拉值； 5)将调整后的索力“上传桥博”，“执行项目计算”； 3.3调整施工、成桥索力

1)计算完成后“重载效应”刷新效应图（在项目计算过程中不能修改索力，否则重载的效应图与当前索力是不对应的）；

2)微量调整索力，使各施工阶段主梁上、下缘受力均匀；

3)微量调整索力，使成桥阶段主梁上、下缘整体上受力均匀；

4)“上传桥博”，“执行项目计算”获得准确的计算结果（包含收缩、徐变效应）； 5)如效应图不理想，重复以上的操作过程，直到主梁受力均匀；

6)观察应力包络图，局部的不均匀弯矩需通过配置局部预应力解决，同时配置整体施工预应力保证施工安全性（这部分操作可通过“调束”工具完成）；

7)配束完成后再次观察应力包络图，根据应力特征局部调整拉索张拉力； 8)观察塔顶位移； 4、示例

以一座悬臂施工的独塔斜拉桥为例说明调索过程（施工索力与成桥索力）。

工程概况：65.0+110m预应力混凝土独塔斜拉桥，施工过程一共划分了15个施工阶段，其中1－11阶段为双悬臂施工（每阶段包括安装单元与张拉斜拉索），12、13阶段为边、中跨合龙，14阶段拆挂篮（13、14阶段无索力调整），简单起见在模型中未模拟挂篮浇注操作，15阶段为成桥阶段有一次全桥调索。 调索过程如下：

4.1完成全桥建模，在施工阶段索力调整中需输入该阶段张拉的斜拉索单元与索力（索力可不准确，实例中采用的索力值均为1000KN），在总体信息窗口中选择“生成调索信息”（如图16－10），重新执行计算。

4.2打开调索文档（可从“项目管理窗口”中选择或从“项目”菜单中选择，如图16－11、图16－12）。该项目中每根斜拉索均调整了2次，第一次为悬臂施工调索，第二次为成桥调索，在调索次数窗口中选择“第1次调索”和“第2次调索”，在图形窗口中显示所有索力均为1000KN（图16－13）。将“显示设置”中的“索力方向”定为“竖向力”，则在图形窗口中显示各索竖向力（图16－14）。

4.3首先调整悬臂施工索力（第1次调索）。该项目中边跨标准节段重量为1583KN，中跨标准节段重量为1716KN，考虑边跨压重与横梁重量后边、中跨标准重量分别为3330KN、2160KN。

在图形窗口中绘制线段1（y=3330），线段2（y=2160），用“ac”命令将边、中跨索力分别延伸到对应的值（图16－15）。

在“第2次调索”中重复同样的操作，考虑到该项目中所有二期恒载的重量为67.5KN/m，每节段对应的重量为337.5KN，取整数340KN，将线段1与线段2向上偏移340，将索力延伸到对应的值（图16－16）。

在约束定义中查证修改后的索力。（如图16－17）

如果结构是对称的，一般而言施工索力与成桥索力也是对称的，此时可采用约束定义，隐藏从索，在图形界面中仅需对一半的斜拉索进行操作。

“新建”效应图，该项目中第1次调索到12施工阶段结束，显示第12阶段的施工累计应力。显示成桥阶段15阶段施工累计应力。

4.4 将修改后的索力上传到桥梁博士原始数据中。在上传时提示：关闭输入数据窗口，再打开才能看到修改后的数据。重新执行项目计算。（如图16－18）

4.5计算完成后在“调索”界面中“重载效应”。第12阶段的施工累计应力（图16－19），成桥阶段15阶段施工累计应力（图16－20）。

由图例－8看，成桥阶段主梁下缘应力储备较小。查看正常使用组合1应力包络图（图16－21）。主跨下缘拉应力过大，应调整5－6MPa。

4.6回到成桥阶段，调整主跨索力（第2次调索），每次调整索力后观察成桥阶段与使用组合的应力图，将应力调整到理想状态。最终成桥索力如图16－22。

相应的应力图为图16－23、图16－24。

4.7将调整后的数据上传到桥梁博士，重新计算，重载效应，注意计算过程中不要修改索力信息。重新计算后的组合1应力包络图如图16－25所示。由于调索界面的实时应力变化无法考虑徐变收缩的影响，因此重新计算后的数据会与调索界面的数据有一定的差别，如应力图仍然无法满足要求，则需要重复第6步的操作，直到得到满意的应力。

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