CAD分析设计系统

计算机辅助绘图可以比以往人工绘图更快，更清楚，更准确。更好的CAD使得某些线有更多细节：随着越来越多的程序集成CAD与结构分析，工程和绘图之间的差距将渐渐消失。

“在过去，设计和分析总是你做的第一件事，然后用CAD单独完成，“纽约普莱恩维尤空间结构国际公司总裁Wendel R. Wendel说，“现在我们正在努力组合它们。”

他的公司已经开发了一个名为空间结构计算机辅助设计（SSCAD）的程序。使用该程序，工程师输入关于结构的初步设计数据，然后输入必须支持的荷载，用有限元件分析设计。在那里SSCAD成为优化程序，让后进行计算机辅助绘图，Wendel说，“程序为每个单元选择最佳的尺寸和重量，为商店生成图纸。”

它甚至可以驱动工具建筑组件的机器。当制造某些复杂的零件，例如在空间框架中使用节点时，SSCAD会告诉机器，他们“我们需要这么多孔，孔的尺寸是这些。”Wendel说，“ 这是个从设计到制造的概念。”

技术面板

最终，Wendel计划更进一步。他希望使SSCAD成为他所谓的“技术面板”，能够提供各种各样的工程问题的专业知识。 “像AUTOCAD之类的东西取代了铅笔。但是还没由替代人思考，“我们想要用电脑完成更多的手工的东西。“

最大的收获是有东西不仅仅是工程师的延伸。该程序应根据经验做出判断和决定。它应该说“Gee，你在六年前建了个这样的东西。你想看看吗？ “我想要能与电脑交谈，而不是与它交谈。这是下一步。

他的公司花了5年多，用100万美元开发SSCAD，Wendel说，“我打算用余下的时间来改进这个程序。”Fraser Sinclair，剑桥LeMessurier顾问公司的合伙人，并没有那样的野心。他在高层建筑设计之间使用他的闲置时间来创建Chiquita，这是一个超过100个单独的程序的集合程序，用于设计，分析和楼板框架系统。

楼板框架在建筑设计过程中通常会发生重大变化，每次更改都必须重新分析和重绘。“我们的目标是写一个楼板框架程序，如果你有时间，你会手算完成这一部分。我写Chiquita，因为我是一个项目工程师，这是一个领域，我发现很多时间被浪费了，“他说。

该程序的独特之处在于，不需要将设计信息输入到一个数据库中。任何粗糙的设计可以在计算机上绘制，Chiquita使用它所需要的图纸。即使在绘制程序之前创建的旧绘图也可以由Chiquita分析。 “chiquita的最好的日子之一是当我丢弃了Itegraph数据库，这是最初的程序的一部分，并意识到绘图本身可以用作数据库，”Sinclair说。

程序的第一步是做记录。每个图形的结构单元都由计算机编号。接下来，工程师必须在图形上重叠表示载荷的形状。载荷可以是任何形式任何形状，并且可以包含任意数量的洞。然后，像SSCAD一样，Chiquita将分析设计，给出它认为是每个结构单元的最佳重量和尺寸，在点击按钮后生产工作图纸。

该系统允许工程师可以立即看到任何变化的结果，并且如果需要，可以生成新的图纸。 “当你开始做出改变时，”辛克莱说，“总是有一种唠叨的感觉，作图就会使人厌烦，人们开始问，”我们应该重新开始吗？ “Chiquita会一直跟踪你的。

为了防止这程序在过于强大的决策能力，Sinclair确保设计师能够限制Chiquita。 “我认为重要的是，负责工作的工程师能够定制一个设计到自己的工程。如果工程师有一些结构约束，或者想改变梁的尺寸，他可以修改设计。“目前，约束可以放在设计的18个不同方面，包括钢的强度，深度，尺寸，拱度，湿负荷偏转等。 “如果是我会增加更多，”辛克莱说。约束可以放在整个框架或仅仅加载在个别结构上。

这些约束可以直接打印在图纸和设计规范上。测试中的约束可以移动，甚至省略。 “工程师不仅可以设计并可以传达设计的信息，”Sinclair说，“绘图员可以进入并改变绘图的外观。

目前，Chiquita和SSCAD是由开发它们的公司内部使用的。那些没有资源开发自己的程序的公司，一部分是与CAD和结构分析一起进行营销。

市场ArteMate的卡尔斯巴德，卡尔斯巴德的总裁吉姆·兰伯特（Jim Lambert）说：“CAD和结构分析的集成是我们为我们这一代计划的。 ArteMate有一个关系数据库管理系统，使其中的信息可用于执行办公自动化任务，如文字处理和电子表格，以及工程功能，如项目计划和计算机辅助绘图。 “电子表格应该能够从CAD系统上的图纸中获取列表，”Lambert说。 “你不应该一遍又一遍地输入任何数据。

他目前正在扩展系统加入一个结构分析模块。 “现在我们正在开发一个有限元程序，”他说。 “明年年初，您将能够输入一个框架的3D模型并进行分析。”ArteMate的CAD模块在系统中将能够使用相同的数据来发出发票，物料清单，合同和其他工程文档。

对于那些已经投资办公自动化系统，CAD软件包或结构分析程序的公司，抛弃它们并开发或购买这样的集成系统可能有点不切实际。所以许多软件设计师只是开发允许这样的现有系统。所以许多软件设计师只是以现有系统进行开发。 Swanson分析公司营销经理Suzanne Batt说：“我们学到了足够的知识，坚持能做到最好。 Houston，Pa。Swanson是ANASY的制造商，ANASY是一个领先的有限元分析程序。该公司加入实体建模功能增加了设计能力，但却谨慎引导他们在系统中添加绘图功能。

相反，Batt说，该程序旨在接受和生成标准计算机图形协议IGES中的数据，“Batt说：”一旦ANASY设计和分析了一个零件，大多数CAD系统将接受IGES作为图纸。 “目前的困难是得到一个好的设计而获得绘图是不是很难。

同样，HOK-CSC，圣路易斯建筑公司HOK的软件子公司决定不为自己开发一个结构分析程序。它开发了一个由八个程序组成的网络，用于绘制和记录设计，以及分析空间要求等。

但是，该公司的工程系统项目经理Chuck Ingrum说，“市场上有足够好的结构分析程序，我们不需要开发这些工具。”相反，HOK正在编写允许网络的软件并已经创造了一个商业可用的结构分析程序。 Ingrum预计该系统将在年底前推出。

变革的时代

随着组合CAD和结构分析程序的出现，一些建筑物的基本设计方法是新的设计。 “我担心，一个不知情的人可能会得到结果，并说，”这是电脑给我的结果， 一定是好的。””他们不会去看那个设计，而倾向于直接接受它，“普渡大学土木工程教授，ASCE计算机图形委员会成员Roert H.Lee说。 “这就是我们会出现另一个堪萨斯城凯悦酒店。

“在结合CAD和分析时，你会鼓励缺乏经验的新人说：”所有人都必须做的是购买这个程序，嘿，我是一个工程师。“这个行业将有小心控制它。

正是教授的工作需要重新思考。将一个结构的整个设计调整到一台机器上，这使得Sinclair的工程师有点不安。他限制Chiquita设计和绘制地板框架，感觉把工作交给计算机的，像“结构的横向分析交个计算机并不合适，建筑的整体安全都依靠它。你不能把它转移到一台电脑上。“温德尔说，”我看到电脑成为你可以谈话的合作伙伴，但不是老板。

而两者都同意，认为可以用正确的软件的Sinclair说，“工程师可以做很多麻烦的事情，如检查图纸以确保数字在正确的地方，可以由绘图员完成。

李先生同意，电脑允许制图员接管一些在过去严格属于工程师的职能，“我们认为作为起草人现在将不得不改变他们的专业知识。顶级绘图员将不得不寻找设计中的异常。他们做的一些绘画会被拿走，但他们需要更多的训练。

兰伯特在起草委员会的双方找到了工程师和绘图员，他们认为计算机化方面的改变有点担心，但他预测，随着越来越强大的机器的价格下降，到20世纪90年代，几乎所有的工程办公室都需要某种集成的CAD和分析系统软件来保持竞争力。他相当期待着这一天。兰伯特说，“这是令人兴奋的时刻。”

钢筋混凝土桥梁

钢筋混凝土非常适合在中小跨度范围内建设公路桥梁。钢筋混凝土桥梁的常见类型是：板桥;梁和板桥;空心梁桥;平衡悬臂梁;刚性框架桥;拱桥：以及弦梁桥。

在任何特定情况下，总成本通常是选择合适类型的混凝土桥梁的决定性因素。然而，该问题有时由于特殊要求而复杂化，例如美观，导航或交通限制少于桥的建设时间，限制模板供应等。

T梁桥

T型梁桥梁是目前最常采用的类型，跨度范围为10至25米。该结构如此命名是因为主纵向梁被设计成与甲板板的一体的T形梁，与横梁共同铸造。简单支撑的T梁跨度很少有超过25 m的，因为恒载重量太大。然而，现在A印度有一个跨度为35m的桥梁advai，这可能是世界上最长跨度的钢筋混凝土T梁桥梁。

空心梁桥

钢筋混凝土空心梁桥在25至30米的跨度范围内最为经济。这种类型的主要特征在于由于封闭的箱形截面和沿着长度改变深度十分方便而可附加扭转刚度。它们可以制成多孔蜂窝状，也可以方便地用于连续和平衡悬臂梁。截面的额外扭转刚度使得该形式特别适用于等级分离，其中桥的对准在平面中通常是弯曲的。空心部分可以是矩形或梯形，后者在预应力混凝土高架道路中越来越多地应用。

可以注意到，梁的部件是：路缘石，道路板，底板，梁，梁和隔板的悬臂部分。除了拉伸和基础板的较大区域内，中空梁的设计与T梁上部结构的设计非常相似。

梁的腹板设计承载剪切作用。这并不是一个十分好的做法，虽然它的裂缝可以承受剪切作用。相反，可以使用垂直箍筋以满足剪切应力的要求。

平衡悬臂桥

如果使用连续跨度，则可以最小化管理弯曲力矩，并且因此可以增加单跨长度。但是连续结构需要保持不屈服状态的支撑。如果支持稳定，净力矩在大小以及方向的改变，会导致对结构的破坏。因此，对于在约35至60m范围内的中间跨度，可以采用支撑跨度，悬臂和悬置跨度的组合。具有这种类型的上部结构的桥被称为平衡桥。

悬置跨梁和悬臂边缘之间的连接称为铰接。铰接处的轴承应当是固定和膨胀类型的，并可以是滑板，滚动摇臂装置或氯丁橡胶垫的形式。膨胀节应在耐磨层处填充胶泥填充物，其他部分可以保持打开。

悬臂跨度通常为支撑跨度的0.20至0.25。悬挂跨梁设计为在铰链处具有支撑的简单支撑跨距。悬挂跨梁两端的钢筋应仔细细化，以便安全地承载剪力。对于主跨度的设计，当悬臂和悬置跨度受到满布活载荷时，支撑处的最大负力矩将产生，在主跨度上没有活荷载。在主跨度上的满布载活荷载和悬臂或悬置跨度上满布活荷载时，中跨处将产生最大正应力。类似地，使用影响线计算不同部分处的剪切应力。墩处的轴承可以替代固定和膨胀类型。

平衡悬臂梁的横截面可以是T形梁或大梁型。由于负的力矩通常大于中间跨度处的正的力矩，因此支撑的深度将大于中跨处的深度。拱腹可以布置成抛物线轮廓或者具有中心水平线的两条倾斜线。

连续梁桥

当不可用的支撑可用时，连续梁桥不是单独连接到支撑上是合适的。典型的形状如图1所示。跨距可以相等，但通常端部跨度比中间跨度小约16至20％。甲板可以是板，T形梁或箱形截面的形式。通过使用影响线来评估桥梁的各个部分处的弯曲力矩和剪切。在支撑件处的负弯矩引起顶部处的张力，因此使T形梁桥的顶板作为用于T形梁的凸缘无效。此外，弯矩通常在支撑处大于在中跨处。鉴于上述，通常使用凸起轮廓或弯曲拱腹，并且除了提供加厚腹板和横梁之外，支撑件处的部分用压缩加强件加强。在连续板桥的情况下，支撑处的刺入部的厚度将为中跨处的最小厚度的大约1.3至1.8倍，并且隆起部的长度将为跨度的大约0.20至0.25。除一个轴承外，所有轴承都是膨胀型。

图15.1 典型的连续钢筋混凝土桥梁

刚性框架桥

刚性框架桥是由多个平行梁（板或梁）组成的结构，刚性地连接到支撑柱或支柱。通常，甲板和下部结构是整体铸造的。

桥梁施工中使用的合金类型如图1所示。 15.2。类型（a）的布置适合于单跨度开口，如在铁路轨道上的桥的情况。类型（b）示出了具有固定的柱的底部的双跨桥。更常见的情况，如果基座是铰接的，则柱向下成锥形。通过添加所需数量的中间列，此类型也可用于具有更多跨度的网桥。类型（c）在限制出入高速公路上提供了美观的结构，并已广泛用于美国和德国的高速公路。

图15.2 刚性框架桥的类型

隧道如何建成

在确定了隧道的总方向之后，接下来的步骤是对场地的地质勘测和一系列钻孔，以获得隧道可以通过的地层的具体信息。隧道的长度和横截面通常由其用途决定，但是其形状必须设计成能提供对内部和外部作用力最有利的支撑。通常，选择圆形或近似圆形形状。

对于非常硬的岩石，挖掘通常通过钻孔和爆破来完成。对于软到中等硬度的岩石，隧道钻孔机通常进行挖掘工作。在软地面，挖掘通常是通过挖掘或推进盾牌和挤压软材料进入隧道。在挖掘过程中，被挖掘的岩石或泥土，称为泥渣，被收集并被运送出隧道。在水下隧道中，使用护罩来推进工作。建造水下隧道的另一种方法是将管状部分沉入在河流或其他水体的底部挖掘的沟槽中。

硬岩隧道。通过硬岩的短隧道仅从入口驱动，但是更长的隧道通常也从一个或多个中间轴驱动。一些长隧道已经借助于平行于主隧道驱动并且间隔地通过横切（crosscuts）与其连接的小导向隧道而建立。导航隧道不仅提供额外的进入点，也是用于除去污物和用于通风管道和排水管线的路线。

另一种方法是台阶系统，以前用于大多数大型隧道，因为它只需要较少量的粉末，并允许同时进行钻孔和扒渣（去除挖掘的材料）隧道的上部在被称为长凳的下部之前被驱动。 因此，单独的人员能够在钻井向下打眼时运出上部的淤泥。

随着隧道方法和机械的

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