技术连载丨桥梁微技术243-技术随笔：设计用数值截面参数，输错后果很严重!

今天我们聊一聊Civil中“设计用数值截面”中的相关设计参数，这是一个高频问题，几乎每两周就会有用户在问，希望本文能解答你一直以来的疑惑！

为了满足各类截面的分析需求，Civil中提供了“数值截面”和“设计用数值截面”两种任意截面（即CAD导入截面）功能，也是桥梁工程师最喜欢的截面定义方式。其中“数值截面”仅用于分析，不可用于梁的验算，而“设计用数值截面”顾名思义是“设计可用”的。

对于该类截面定义的具体操作方法，由于篇幅有限，本文不赘述，将在文末附上操作文档供初学者学习。

“设计用数值截面”在定义过程中，有几个参数是大家绕不过，如下图中的设计参数“T1”、“T2”、“BT”、“HT”以及“验算扭转用厚度（最小）”。

大家最多的疑问是：这几个参数是干什么的？应该怎么填？我不填行不行？我乱填行不行？

... ...

本文我们就详细分析下这几项参数的意义及影响。

1.

这几个参数是用来算什么的？

首先可以明确的是，这5个参数均用于扭转计算和抗扭

我们先看规范中的抗扭验算相关条文。

对抗扭验算公式进行分析可知，其中和截面尺寸相关参数为“截面受扭塑性抵抗矩Wt”和“箱型截面有效壁厚折减系数βt”，具体的详细取值及计算方法如下。

也就是说，这5项参数主要是用来计算Wt和βt这两个值，如果填错或者不填将使抗扭验算出现错误。所以对于弯梁或者承受明显偏载作用的结构，这几个参数的填写需要额外谨慎，以保证抗扭验算的准确性。

2.

这几个参数到底怎么填？

参数如何填写是大家问的最多的问题，也是本文将重点讨论的内容。由规范条文可知，规范仅给出“矩形”“T形”“工形”“箱型”等常见截面形式，那么对于非规则的截面，这些参数该如何设置？这就需要我们深入了解程序参数的取值原理了。

由程序给出的示意图，我们可以掌握对于箱型截面参数的基本输入方法，如图。那么对于其他截面的取值方式，本文将针对不同的截面展开测试。

首先验证最典型箱型截面的取值过程，本文测试截面尺寸如下图所示，由于抗扭验算中βt仅与壁厚有关，我们重点对比程序中Wt的计算结果。

首先按规范公式5.5.2-2先进行手算：

程序填写方式如图。对比CDN的计算结果，是的，CDN只给出了最终结果，没有取值过程。

可见手算结果与程序计算结果完全一致，那么程序参数与规范参数是什么对应关系呢？直接给大家结论：

h=HT+(T1+T2)/2

b=BT+

验算扭转用厚度

t1=

验算扭转用厚度

t2=(T1+T2)/2

所以，由箱型截面的计算过程可知，实际“验算扭转用厚度（最小）”从计算原理上来讲，应输入箱型截面的边腹板厚度，且不考虑中腹板参与抗扭。

接下来我再测试T形截面，该类截面与箱型截面最大的不同为开口截面，Wt的计算公式也稍有不同，翼缘部分按规范下式进行计算。

本文测试截面尺寸如下图所示。

首先

还是进行手算。

程序填写方式以及CDN的计算结果，如图。

可见手算结果与程序结果完全一致，程序参数与规范参数的对应关系我们再一次进行罗列：

h=HT+T1/2

b=

验算扭转用厚度

hf

=T1

此时我们发现，还有一个参数值未能获取，即翼缘宽度bf。这个参数在抗扭验算5个基本参数里是获取不到的

bf=y2-y1

所以对于有翼缘的截面，截面角点坐标也会影响截面的抗扭验算，是需要重点需要核查的内容。

3.

非规则截面该如何考虑？

通过以上分析，我们基本清楚了5项设计参数的取值原理，接下来我们运用上述原理来讨论其他截面的填写方式。

（1）矩形截面

矩形截面大家首先想到的是让T1、T2、BT均为零，厚度和HT正常填写。但按这种输入方式程序将提示报错，T1不允许为零！所以矩形截面只能近似按

翼缘很薄的T形截面

处理，将T1设置为一极小值，填写方式和上文中的“T形截面”一致。

（2）倒T形截面

倒T形截面有两种输入方案，一种是看做上翼缘很薄的“工形”截面，这种填写方式就比较常规，将上文中的T形截面设置中的T2按实际下翼缘厚度输入即可。另一种输入方式是将“倒T形”截面按“正T形”截面输入，将下翼缘的尺寸输入到T1中。但是需要额外注意，此时需要修改截面特性中的y1和y2坐标，以获取准确的bf值。

当然，截面角点坐标的修改是比较“危险”的行为，该坐标会影响弯曲正应力的计算，所以修改y值需要判定截面是否存在水平向（Mz）的弯矩或者能否忽略该方向弯矩的影响，否则是不推荐修改的。

此时，大家可能会困惑，将截面颠倒方向输入会带来什么影响，以李工目前的认知，这样做对扭转是没有影响的。扭转和拉压的分析不依赖于截面方向，这与受弯和受剪不同。这里大家有不同的意见欢迎提出来我们再讨论，这于其他截面的抗扭参数输入也具有很实际的意义。

（3）侧T形截面

这类截面在实际工程中是极为少见的，这里仅作为一般截面进行举例说明。如果要计算该类截面的抗扭，利用上文中我们认为的截面方向不影响抗扭的结论，仍可按“正T形”截面输入，此时也需要修改截面特性中的y1和y2坐标，以获取准确的bf值。如图。

这样我们可以将思路打开，对于各类异形截面，如果可以按不同的方向近似简化为“工形”和“箱型”，即可按该类截面参数输入，仅需保证抗扭设计参数取值准确即可。

（4）槽形截面

该类截面是本文要重点讨论的类型，其为非常规的桥梁截面，但却在大量的水利渡槽工程中得以应用。本文测试的槽形截面尺寸如图所示。

由于该类截面属于异形截面，我们需要将其等效为常规截面，等效方式有两种，一种等效为顶板很薄的箱型截面，一种按面积等效为顶板很薄的工形截面，如图：

分别对两种截面进行Wt的计算。可见按两种不同的等效方式，Wt的计算结果将相差4倍左右。

那么到底按哪种方式更合理呢？

两种等效方式首先最大的区别在于，第一种等效为闭口截面，第二种为开口截面。而开口和闭口截面除影响抗扭塑性抵抗矩外，还将影响扭转剪应力的计算

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为了搞清楚这个问题，我们插入一个小测试。这里对同一个箱型截面按如下两种方式填写抗扭参数。

查询Civil中的扭转剪应力结果（PSC应力）如图。可见第二种输入方式扭转剪应力很大，与第一种输入方式相差约10倍。这是因为当抗扭参数中T2或者B2任一输入为零时，程序识别截面为开口截面，Civil将按开口截面计算扭转剪应力，

闭口及开口截面扭转剪应力的计算原理，Civil帮助文件已经写的比较清楚，此处直接搬运供大家参考。

所以对于某些截面，即使不进行规范的抗扭验算，抗扭设计参数也需要谨慎填写，否则将对扭转剪应力的计算产生很大的影响。

------------------------插入结束分割线

我们回过头继续讨论“槽形截面”的问题，如果将槽形截面简化为薄顶板的箱型截面，将造成程序对于其截面形式的误判，使开口截面判定为闭口截面，对扭转刚度以及抗扭承载力存在过高估计，因此这种做法是不可取的。

那么简化为薄翼缘“工形截面”是否可行呢？

李工认为也有些牵强，此“工形截面”是通过面积等效获取的，这对于截面抗扭来讲并没有理论依据。如果让我来选择，李工会按下面的截面形式考虑，即按抗扭与截面方向无关，将槽形截面倒过来考虑参数输入，如图。看做双腹板的“π”型截面。由于此时仅相对于“T形截面”多了一个腹板，则可近似看做与“T形截面”是同一类型的截面计算Wt，而不需做任何等效处理。

按“双腹板T形截面”还是进行手算Wt。

接下来的难题在于程序中该如何设置呢？由于程序内置算法仅针对单腹板T梁，考虑双腹板则需要进行单腹板厚度的等效。

这里我们分两步，首先按腹板Wt等效，将双腹板等效为单腹板，计算方程如下：

需解一元三次方程，得到等效腹板厚度为215.1mm。

再进行翼缘板Wt等效，此时仅需满足如下公式。需调整程序中的bf的取值。即调整截面角点的y1和y2坐标，使y2-y1-215.1=700。

程序输入参数如下。

进而得到CDN的Wt计算结果，与手算结果基本一致，此等效方法可行。

折腾到这，终于解决了槽形截面的扭转问题。大家可以感受到这个过程还是略显繁琐的，甚至有工程师此时已经开始焦虑之前的项目是不是算错了。其实是不必过多担心的，因为这类异型截面梁大多是直梁，实际扭矩都不会很大，不会控制设计。而桥梁结构中受扭构件一般都会设计为箱型截面来进行抗扭，这类截面一般是不会输错的。

4.

技术总结

以上就是关于“设计用数值截面”中各项设计参数的含义以及取值原理，由于文章较长，最后我们进行技术总结。

（1）设计参数“T1”、“T2”、“BT”、“HT”以及“验算扭转用厚度” 均用于扭转计算和抗扭验算。

（2）抗扭验算中，以上参数用于计算规范条文的Wt和βt。

（3）对于带翼缘的截面，Wt计算时，针对bf的取值，程序将识别截面角点y1和y2的坐标计算。

（4）对于各类异形截面，可以按不同的方向近似简化为“工形”和“箱型”，然后按该类截面参数法则输入设计参数。

（5）Civil中扭转剪应力的计算对开口和闭口截面将采用不同的公式，当抗扭参数中T2或者B2任一输入为零时，程序识别截面为开口截面，否则按闭口截面计算。

（6）“槽形截面”推荐按“π”形截面进行等效计算抗扭，相关设计参数需按Wt等效计算。

以上就是本期《技术随笔》的全部内容，写到这李工不禁还是要感慨一下，软件终究只是结构计算的一个工具，它肯定不是万能的，也绝不可能解决我们工程中的所有问题，但只要大家掌握了结构的分析原理以及软件的内在算法，适当变通，它就有了更多的可能。