陳永高,單豪良

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江紹興312000

長(zhǎng)江公鐵斜拉橋BIM模擬與計(jì)算分析

陳永高,單豪良

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江紹興312000

在總結(jié)分析國內(nèi)外已建大跨度公鐵兩用斜拉橋結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)對(duì)銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋進(jìn)行建模，導(dǎo)出為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，并導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中，對(duì)其靜、動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并詳細(xì)介紹了大橋計(jì)算分析過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，包括準(zhǔn)確模擬橋面系結(jié)構(gòu)、樁-土作用以及確定施工索力等。計(jì)算結(jié)果表明：模擬成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力相對(duì)誤差均在±5%范圍內(nèi)；施工階段和運(yùn)營階段主桁應(yīng)力及索力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；考慮樁-土作用的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性明顯優(yōu)于無樁-土作用的橋梁結(jié)構(gòu)體系。BIM技術(shù)在橋梁工程上的應(yīng)用、建模及計(jì)算方法和結(jié)果可為同類橋梁的設(shè)計(jì)、分析提供參考。

建筑信息模型；斜拉橋；模擬；計(jì)算分析

在橋梁的設(shè)計(jì)階段，由于設(shè)計(jì)和出圖工作量很大，利用傳統(tǒng)的圖紙表達(dá)方式，不僅工作繁雜，而且容易出錯(cuò)。另外，橋梁設(shè)計(jì)與施工工藝環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，如果能在設(shè)計(jì)階段提前把橋梁的施工和運(yùn)營過程模擬出來，就可以基本避免實(shí)際施工和運(yùn)營中出現(xiàn)的一系列問題[1]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）能夠集成建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)體和功能相關(guān)信息，并有機(jī)關(guān)聯(lián)這些信息，提供虛擬實(shí)境模型，降低工程信息的遺漏和以及顯示不直觀的問題。其能夠解決工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，支持建筑全生命期動(dòng)態(tài)的工程信息，包括構(gòu)件材料、力學(xué)性能、施工資源等許多其他信息，具有可視性、可模擬性等特點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)一次建模，多次使用，并納入?yún)f(xié)同工作的理念。

由于大跨公鐵兩用斜拉橋施工工序多，施工工藝復(fù)雜，且隨著施工階段的不斷推進(jìn)，斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系、荷載工況、約束條件、材料性能等都在不斷變化，為了模擬橋梁施工及運(yùn)營階段狀態(tài)和明確各個(gè)階段全橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形情況，并確保大跨度公鐵兩用斜拉橋的運(yùn)營安全，對(duì)橋梁進(jìn)行BIM建模和模擬，并對(duì)結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算分析是很有必要的。

以主跨630m的銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^BIM軟件Revit建立了全橋模型，并通過IFC標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中，分析研究了該橋的靜力、動(dòng)力特性，并詳細(xì)介紹了大跨度斜拉橋建模過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，保證了計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋位于安徽省銅陵市銅官山河段，是合福鐵路跨越長(zhǎng)江的重要通道，大橋主橋全長(zhǎng)為1290 m，主跨630 m，跨徑布置為(90+240+630+240+90)m的五跨連續(xù)鋼桁梁三索面斜拉橋，單孔雙向通航,主塔為鉆石型混凝土塔，塔高212 m，采用鋼絞線斜拉索。此橋?yàn)楣F兩用橋，上層為雙向六車道公路，下層為四線高速鐵路，其主橋結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

主梁為板桁結(jié)合鋼桁梁，N型桁架，主桁總寬度為34.2 m，橫斷面采用三片主桁的型式，桁寬2×17.1 m，桁高15.5 m，節(jié)間長(zhǎng)度15 m，共86個(gè)節(jié)間。上、下弦桿設(shè)計(jì)時(shí)均考慮板桁共同作用，弦桿、豎桿、斜桿共采用140種截面類型。

鋼梁主桁采用桁片式設(shè)計(jì)，桁片鋼梁長(zhǎng)度30 m，單片最大重量約330 t。上弦桿高約1.3～1.592米，下弦桿高約1.62 m，桿件寬為1.6 m，斜桿和豎桿采用箱形或工字型截面。主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外拼接，斜拉索錨固于主桁上弦節(jié)點(diǎn)。

圖1 銅陵長(zhǎng)江大橋主橋結(jié)構(gòu)布置圖(單位:m)Fig.1 The main bridge structure layout of Tongling Yangtze River Bridge(unit:m)

主塔總高度為212m，采用C50混凝土結(jié)構(gòu)，箱型截面。上塔柱順橋向?qū)挾染鶠?.6m；從中塔柱頂部開始，塔柱順橋向?qū)挾扔?.6m漸變至下塔柱底為16m。上塔柱采用單箱三室結(jié)構(gòu)，中塔柱、下塔柱及下橫梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)。在中塔柱與上、下塔柱交接處設(shè)置倒角。下橫梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，并在主桁支承點(diǎn)處設(shè)置三道隔墻。

拉索采用三索面鋼絞線斜拉索，共有38種拉索編號(hào)(兩塔對(duì)稱布置，每個(gè)索編號(hào)包含1根中索和2根邊索)，索編號(hào)由主桁與橋塔支點(diǎn)往邊墩方向依次為S1～S19，往中跨跨中方向依次為M1～M19。

2 全橋BIM模擬過程

為了模擬銅陵長(zhǎng)江大橋的施工情況及確定其在運(yùn)營過程中的靜、動(dòng)力特性，本文先采用BIM技術(shù)建立模型（此模型在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段均可通用），然后導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)有限元分析軟件中，在充分考慮計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)等因素的基礎(chǔ)上，分兩個(gè)層次，優(yōu)化了全橋有限元模型和局部構(gòu)件精細(xì)化有限元模型。主桁梁、索塔和橋墩采用空間梁?jiǎn)卧M。對(duì)于公路、鐵路橋面采用空間板梁法（即等效板單元和梁?jiǎn)卧┕餐M，斜拉索采用改進(jìn)后的等效彈性模量法，用空間桁架單元對(duì)斜拉索進(jìn)行模擬。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)BIM模型Fig.2 BIM model with full-bridge structure

以下將重點(diǎn)圍繞全橋模型關(guān)鍵部位的模擬情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 主桁模擬

對(duì)于大多數(shù)的鋼桁梁斜拉橋，一般采用兩片主桁，而銅陵長(zhǎng)江大橋采用了三片主桁梁，主桁受力更加復(fù)雜，中桁與邊桁存在不同的截面形式，針對(duì)主桁梁的受力和構(gòu)造特點(diǎn)，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。由于鋼桁梁節(jié)間長(zhǎng)度15米，且每3米有一道橫隔梁，故上、下弦桿每3米長(zhǎng)劃分一個(gè)單元。主桁模型如圖3所示。

2.2 正交異性鋼橋面板模擬

銅陵長(zhǎng)江大橋橋面系為正交異性鋼橋面板結(jié)合梁體系，由縱向U形縱肋、縱橫梁、蓋板組成。為準(zhǔn)確模擬銅陵長(zhǎng)江大橋的實(shí)際情況，對(duì)正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，將縱肋均攤到蓋板上，從而將正交異性鋼橋面板比擬為構(gòu)造正交異性板來進(jìn)行計(jì)算分析。為了保證計(jì)算精度，將橋面BIM模型導(dǎo)入計(jì)算軟件，形成完全模擬實(shí)際橋面系的結(jié)構(gòu)模型，然后用長(zhǎng)0.75米，寬約0.65米的板單元?jiǎng)澐稚w板，用與板單元共節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐諹形肋、縱梁和橫梁形成橋面板的計(jì)算模型，如圖4所示。

圖3 主桁模型圖Fig.3 Main girder model

圖4 橋面系模型圖Fig.4 Deck system model

2.3 主塔、橋墩和樁基礎(chǔ)模擬

主塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，由上、中、下塔柱和下橫梁四部分組成。根據(jù)施工過程及拉索區(qū)位置將主塔劃分單元，橋墩建模時(shí)是考慮變截面及施工過程來劃分單元的，依然采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。樁基礎(chǔ)依據(jù)樁-土作用力劃分單元。主塔模型見圖5所示，塔梁局部模型見6所示。

圖5 主塔模型圖Fig.5 Main column model

圖6 塔梁局部模型圖Fig.6 Partial model of column girder

2.4 斜拉索模擬

斜拉索的模擬建模過程中多采用等效彈性模量法。用空間桁架單元對(duì)斜拉索進(jìn)行模擬，對(duì)于大跨度長(zhǎng)斜拉索來說，由于其垂度帶來的非線性問題是我們不得不考慮的問題，通過理論驗(yàn)證，可以通過用Ernst公式對(duì)空間桁架單元的彈性模量進(jìn)行修正來近似解決[2]。建立的模型如下：

圖7 斜拉索模擬Fig.7 Simulation of flow around stay cables

2.5 樁-土作用模擬

處理樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，土壤的非線性特征是控制土動(dòng)力作用的重要因素。利用有關(guān)土-結(jié)構(gòu)相互作用中主要非線性和次要非線性的概念，并結(jié)合樁基橋梁的具體情況，模型采用土彈簧模擬樁-土作用，在結(jié)構(gòu)分析軟件中采用“節(jié)點(diǎn)彈性連接”模擬樁-土作用，模擬效果見圖8所示。

圖8 樁-土作用模擬圖Fig.8 Simulated diagram of pile-soil interaction

2.6 荷載組合工況

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1-2005）的規(guī)定，本文計(jì)算分析主要考慮以下荷載組合，如表1所示。

表1 各荷載工況組合表Table 1 Combination of loading cases

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 合理施工索力分析

銅陵長(zhǎng)江大橋全橋共有144對(duì)斜拉索，由南北兩個(gè)索塔固定，大橋橋面掛索節(jié)點(diǎn)橫斷面的左中右各有一束拉索。同一斷面上的三束拉索索力，左右兩索稍高，成對(duì)稱分布，中間拉索索力稍低，以大橋一側(cè)為例，如圖9給出了全橋部分中索面斜拉索的分布。按照正裝迭代法計(jì)算，圖10給出了在二期鋪裝完成后拉索橋面錨固點(diǎn)的豎向位移，計(jì)算顯示在橋梁各桁架錨固點(diǎn)的豎向位移在中跨段后呈明顯的增大趨勢(shì)。

圖9 部分斜拉索分布情況Fig.9 The distribution of partial stayed-cables

圖10 上弦豎向位移對(duì)比折線圖Fig.10 The comparison of top vertical displacements

另一方面，采用設(shè)計(jì)給出的成橋索力作為初始施工索力進(jìn)行正裝計(jì)算，按文獻(xiàn)[3]的方法循環(huán)迭代計(jì)算，當(dāng)?shù)?次后所得成橋索力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。部分中索各狀態(tài)計(jì)算結(jié)果見圖11，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，正裝迭代法計(jì)算得到的成橋索力分布合理，將正裝迭代法計(jì)算得到的成橋索力、和設(shè)計(jì)索力對(duì)比，其偏差均在±5%范圍內(nèi)，證明正裝迭代法在施工過程模擬中是有效、準(zhǔn)確的。按照正裝迭代法計(jì)算施工各階段索力值，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各施工階段大橋各拉索索力均在安全控制范圍內(nèi)，符合大橋設(shè)計(jì)要求。

圖11 北岸索塔中拉索正裝成橋索力與設(shè)計(jì)索力及相對(duì)誤差圖Fig.11 Relative errors of design tension and cable tension of normal installation bridge in north bank cable tower

3.2 主桁梁內(nèi)力分析

銅陵長(zhǎng)江大橋主橋結(jié)構(gòu)采用Q370q-E鋼材制作的鋼桁架梁，鋼梁的基本容許應(yīng)力參照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.2-2005）中表3.2.1確定；根據(jù)該規(guī)3.2.8可知，鋼桁梁安裝過程主力提高系數(shù)為1.20，容許應(yīng)力值為1.2′[σw]=264MPa；同樣根據(jù)該規(guī)范表4.2.1可知，鋼梁運(yùn)營階段換算應(yīng)力容許應(yīng)力值為1.1′[σw]=242MPa。

按照正裝法模擬施工過程，通過計(jì)算給出了施工階段鋼桁梁的應(yīng)力數(shù)值（表2），數(shù)據(jù)顯示，由于橋面耦合作用，左、中、右三片鋼桁梁上、下弦桿相應(yīng)部位應(yīng)力狀態(tài)各自相同，上弦桿最大壓應(yīng)力為128.3MPa，最大拉應(yīng)力為97.3MPa，下弦桿最大壓應(yīng)力為173.3MPa，最大拉應(yīng)力為148.4MPa，而相應(yīng)部位，邊桁架的斜、豎桿應(yīng)力大于中桁架斜、豎桿的應(yīng)力，其中邊桁斜、豎桿最大壓應(yīng)力為204.1MPa，最大拉應(yīng)力為204.8MPa，綜上，材料能滿足設(shè)計(jì)要求并且具有富余量。

表2 施工階段主桁最大應(yīng)力值Table 2 The maximum stress of main truss in construction stage

另外還計(jì)算了斜拉橋在運(yùn)營階段各荷載組合下主桁最大應(yīng)力值，結(jié)果表明在成橋運(yùn)營階段，大橋最不利荷載為荷載組合六，即汽車和列車同時(shí)通過時(shí)（恒載+1.2汽車荷載+1.4列車荷載），在最不利情況下，大橋鋼桁梁上、下弦桿和斜、豎桿的最大應(yīng)力分別為：弦桿最大壓應(yīng)力為234.50MPa，最大拉應(yīng)力為154.14MPa，斜、豎桿最大壓應(yīng)力為192.63MPa，最大拉應(yīng)力為229.11MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求且有一定的富余量。

3.3 動(dòng)力特性分析

在計(jì)算銅陵長(zhǎng)江大橋自振頻率時(shí)，為比較樁-土作用對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響，建立了兩種橋梁模型。分別模擬樁基并考慮樁-土作用和不模擬樁基，直接在承臺(tái)底部添加固結(jié)邊界條件。

由于索塔剛度較小，本橋梁的一階振型表現(xiàn)為索塔沿橋長(zhǎng)度方向，一階懸臂梁振動(dòng)，導(dǎo)致主橋表現(xiàn)為縱向漂移；由于橋面橫向剛度小于豎向剛度，表現(xiàn)為主梁橫向?qū)ΨQ撓曲；三階振型為主梁豎向?qū)ΨQ撓曲；此外，橋面扭振在九階振型中有所體現(xiàn)，圖12表示該橋（考慮樁-土作用）典型主振型。

圖12 橋梁(考慮樁-土作用)典型主振型Fig.12 Typical principle mode of bridge(combined with pile-soil interaction)

通過計(jì)算比較，兩種模型前10階的振型較為一致，而兩種模型各階的自振頻率卻有所不同，如不考慮樁基，使橋墩、主塔結(jié)構(gòu)約束剛度增大，模擬計(jì)算得到的自振頻率偏高，并隨著階數(shù)的增加，兩模型自振頻率相差也逐漸增大。因此，在建立全橋模型時(shí)，需要考慮樁-土作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，以便準(zhǔn)確獲得實(shí)際橋梁的動(dòng)力特性。

4 結(jié)論

本文主要介紹了銅陵長(zhǎng)江大橋模型建立的具體情況，利用BIM技術(shù)建立模型，導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中進(jìn)行分析，對(duì)全橋施工階段、運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）利用BIM技術(shù)，建立了銅陵長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)BIM模型，對(duì)主桁、鋼橋面板、主塔、橋墩、斜拉索和樁基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，并導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中，分析了該橋的靜力、動(dòng)力特性，對(duì)橋梁信息管理和計(jì)算分析方法進(jìn)行了新的探索。

（2）基于正裝迭代法，可以得到施工拉索初張力，并且計(jì)算得到的正裝成橋索力分布合理，其與設(shè)計(jì)成橋索力誤差不超過±5%，符合設(shè)計(jì)要求；

（3）各施工和運(yùn)營階段主桁各桿件受力均在容許應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求且有一定的富余量；在大跨度斜拉橋動(dòng)力特性計(jì)算分析時(shí)，需要考慮樁-土作用。

（4）研究表明，通過前期建立BIM模型，導(dǎo)出IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，再導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，避免多次建模，該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型還可為后續(xù)的施工模擬和造價(jià)分析提供可靠的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一次建模，多次使用，且能夠消除建設(shè)工程全生命周期中各階段的信息孤島。

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BIM Simulation and Computational Analysis of the Yangtze River Rail-cum-Road Cable-stayed Bridge

CHEN Yong-gao,SHAN Hao-liang
Zhejiang Industry Polytechnic College,Shaoxing 312000,China

The structural features on the basis of long span Rail-cum-Road cable-stayed bridges were analyzed that had been constructed in domestic and foreign.The Rail-cum-Road Yangtze Bridge located in Tongling was modeled using BIM technology,and its IFC standard format model was exported.On the basis of the above,the BIM model of the bridge was imported into the structural analysis program,hence its static and dynamic characteristics analysis calculation were carried out in the construction and operation of bridge.The result indicated that the deviation of simulated cable force and designed cable force in completion state was within±5%range.The girder internal force and cable force were all meet the design requirements in the construction stage and in the operation stage.What’s more,the static and dynamic characteristics of the bridge with pile-soil interaction were improved obviously.The research practice can provide referential experience on BIM technology,especially in the area of bridge design,simulation,and dynamic characteristic analysis.

Building Information Modeling;cable-stayed bridge;simulation;computational analysis

U448.27

A

1000-2324(2016)06-0894-06

2016-09-28

2016-11-19

紹興市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B70003）；浙江省住建廳科技項(xiàng)目（2014Z126）；浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201432555）

陳永高(1984-),男,碩士,講師,工程師,研究方向:橋梁施工與健康監(jiān)測(cè).E-mail:higaoge@163.com