基于中美规范对比的高架桥选型与优化设计研究

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随着“一带一路”国家倡议的提出,我国企业不断开拓海外市场,承接海外桥梁建造任务。本文依托孟加拉高架快速路(DAEEP)项目,首先对中美桥梁设计规范进行对比分析,然后对高架桥选型和截面优化设计进行研究,从而获得经济、适用、可靠的设计方案。研究结果可为国内设计施工企业进入国际市场提供技术支撑,进而提高我国路桥行业在国际建设市场的竞争力。论文的主要内容和结论如下:1)对中美桥梁设计规范相关的条文进行对比,并结合算例和工程进行定量和定性的分析。2)对高架桥上部结构选型方案比选,结果表明:DAEEP项目最佳方案为装配式预应力混凝土简支T型梁桥。3)在广泛阅读文献和调研的基础上,总结设计变量、目标函数、约束条件和优化算法在桥梁结构优化设计问题中的技术条件。根据T梁受力的特点,确定截面设计变量分别为腹板高度、腹板厚度、预应力钢筋面积、翼缘板厚度和翼缘板宽度。根据AASHTO规范确定截面优化的约束条件,以桥梁上部结构整体造价为目标函数,建立优化数学模型。4)应用MATLAB软件编制目标函数和约束函数的程序文件,采用遗传算法分别对25m、30m、35m、40m、45m五种跨径的8片梁和9片梁两种方案进行优化设计。优化结果表明:腹板厚度和翼缘板厚度满足构造要求即可;增大翼缘板宽度,减小腹板厚度,能够提高截面效率指标,降低工程造价。因该项目的混凝土造价较高,考虑经济指标优化后,T梁截面的跨高比增大,其值在16.6~19.2之间;当跨径大于40m后,比值基本不变。25m、30m、35m、40m和45m标准跨径桥梁优化后,上部结构造价分别降低10.3%、12.1%、12.9%、13.0%和14.5%,经济效益明显,DAEEP项目经济合理方案为矮T梁方案,可为类似海外工程项目设计提供参考。5)应用MIDAS CIVIL软件分别采用中美规范对优化结果进行建模验算,结果表明:各项指标满足AASHTO规范的要求,主梁控制弯矩减小,边梁与中梁设计弯矩差值减小,主梁的设计弯矩更加均匀。采用中美规范对同一截面和配筋的验算结果可知,采用美国规范计算跨中截面抗弯利用率低,表明按照美国规范设计安全度更高。
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