周曉陵

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

某跨江橋梁跨徑為（50+180+500+180+50）m，為獨(dú)柱形鋼塔雙索面分體式鋼箱梁斜拉橋，效果圖及橋型布置圖分別如圖1、圖2所示。主橋鋼箱梁寬54.4m，其中兩側(cè)人非系統(tǒng)各4.0m，鋼箱梁高4.0m；鋼索塔高166m，自梁面以上130.7m，塔底截面尺寸為16.0m×9.5m，標(biāo)準(zhǔn)塔節(jié)段橫截面尺寸為6.0m×6.5m，下塔柱雙向曲面過渡到上塔柱。該橋斜拉索采用7mm平行鋼絲，最大索長為274.2m[1]；主墩為大型群樁承臺基礎(chǔ)。該橋?yàn)閲鴥?nèi)首座采用BIM技術(shù)正向設(shè)計的跨江橋梁。

圖1 跨江大橋效果圖

圖2 跨江大橋橋型布置圖（單位：m）

2 塔區(qū)錨固構(gòu)造設(shè)計

2.1 斜拉橋塔區(qū)錨固構(gòu)造方式

斜拉橋塔區(qū)拉索錨固形式多采用預(yù)應(yīng)力式、鋼錨箱或者鋼錨梁。預(yù)應(yīng)力式索塔錨固通過在塔壁上設(shè)置齒塊將拉索荷載傳至塔壁，同時通過沿塔壁設(shè)置井字形或者U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束抵消索塔局部拉應(yīng)力以防止混凝土塔壁開裂[2]。20世紀(jì)90年代，我國大跨斜拉橋基本采用預(yù)應(yīng)力式索塔錨固，如南京長江二橋、潤揚(yáng)長江大橋、軍山長江大橋等。鋼錨箱錨固形式通過可靠的連接將鋼錨箱和索塔固結(jié)，通過錨墊板直接承受拉索荷載并擴(kuò)散至鋼錨箱再傳至塔壁。此索塔錨固形式適用于空間索面且噸位大的斜拉橋，如厄勒海峽橋、諾曼底大橋、蘇通大橋、昂船洲大橋、上海長江大橋、鄂東長江大橋、南京長江三橋等。鋼錨梁索塔錨固本身是一個相對獨(dú)立且穩(wěn)定的構(gòu)件，鋼錨梁將拉索荷載豎向分離傳遞至索塔，水平分力由自身平衡。上海閔浦大橋、荊岳長江大橋、舟山金塘大橋等采用了鋼錨梁索塔錨固形式。

2.2 鋼錨梁構(gòu)造設(shè)計

大橋索塔采用鋼結(jié)構(gòu)，全橋共設(shè)置16對斜拉索。壁板面外剛度小，為保證壁板不承擔(dān)或者少承擔(dān)拉索荷載水平分力，故除0號索塔區(qū)錨固采用鋼錨箱設(shè)計以外，其余15對斜拉索塔區(qū)錨固均為鋼錨梁形式。鋼錨梁整體布置及方位如圖3所示。該橋鋼錨梁設(shè)置在鋼索塔的中室內(nèi)，鋼錨梁主要由厚薄墊板、內(nèi)外腹板、底座板及底梁等主要板件構(gòu)成，材料為Q345qD。其中厚薄墊板板厚分別為80mm和40mm，內(nèi)外腹板板厚分別為30mm和50mm，底座板厚度為30mm。與其他斜拉橋鋼錨梁通過牛腿和壁板連接的構(gòu)造不同，該項(xiàng)目鋼錨梁通過設(shè)置三道不等高底梁與鋼索塔縱向腹板連接，將拉索荷載豎向分力傳遞至腹板，鋼索塔腹板采用Q345qD-Z25鋼材。三道底梁高度分別為400mm、600mm和800mm，板厚均為40mm，鋼錨梁整體構(gòu)造如圖4所示。為增加塔段豎向長度減少節(jié)段接縫，該項(xiàng)目塔段采用縱向分塊安裝，因此鋼錨梁縱向也分成兩塊，塔段分塊安裝完成后用10.9級M24螺栓將鋼錨梁塊體連接在一起。鋼錨梁底座采用一端固結(jié)一端施工期滑動成橋后固結(jié)的設(shè)計，滑動端錯開設(shè)置，固定端固結(jié)方式采用10.9級M30螺栓[1]。

圖3 索塔鋼錨梁整體布置與方位示意圖（單位：mm）

圖4 索塔鋼錨梁構(gòu)造示意圖

3 BIM技術(shù)正向設(shè)計

3.1 BIM正向設(shè)計優(yōu)勢

鋼錨梁的設(shè)計采用傳統(tǒng)方式，需要用繪圖軟件繪制每一個鋼錨梁的整體模型，然后量取每個鋼錨梁的參數(shù)，如板件角度、板單元尺寸等。對于空間索面鋼錨梁，繪制模型和采集參數(shù)則更加煩瑣也更容易出錯，同時更改模型也需要較大工作量。如采用BIM正向設(shè)計，只需建立一個鋼錨梁模型和其對應(yīng)的二維圖紙，稱此模型及其二維圖紙為模板，鋼錨梁中變化的數(shù)據(jù)，包含單個鋼錨梁中自身可變的數(shù)據(jù)和鋼錨梁之間不同取值的數(shù)據(jù)，均在模板中設(shè)置為可變參數(shù)[3]。通過BIM軟件的實(shí)例化功能，得到所有鋼錨梁的模型和二維圖紙。采用BIM技術(shù)正向設(shè)計鋼錨梁，無需花大量時間建立三維模型和二維圖紙，同時模型局部調(diào)整快速方便且不會出錯。

3.2 鋼錨梁BIM正向設(shè)計

以下為鋼錨梁BIM正向設(shè)計的簡要過程。

從整體設(shè)計中獲取塔區(qū)錨點(diǎn)坐標(biāo)和斜拉索出塔點(diǎn)坐標(biāo)，以這兩個坐標(biāo)作為輸入條件，預(yù)先設(shè)置好每個鋼錨梁的參數(shù)如板厚、整體高度、螺栓位置及其數(shù)量、手孔大小等，并設(shè)置在一張表格中。利用模板實(shí)例化其他鋼錨梁時候只需選取相應(yīng)的塔區(qū)錨點(diǎn)和出塔點(diǎn)以及參數(shù)表格中相應(yīng)的行，就可以得到相應(yīng)的鋼錨梁模型及其二維圖紙，鋼錨梁模型及其圖紙如圖5和圖6所示。如后期需要更改單個鋼錨梁的局部數(shù)據(jù)，只需要在參數(shù)表格中更新相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。如果需要對鋼錨梁構(gòu)造進(jìn)行更改，則需要對模板進(jìn)行更改，重新實(shí)例化其他鋼錨梁模型及其二維圖紙。

利用BIM技術(shù)正向設(shè)計得到的模型精度高，板單元大樣精確，同時可以在二維圖紙上表示出三維等軸測圖，使制造單位對鋼錨梁的構(gòu)造有最直觀的了解。但是也存在由于軟件本身功能限制造成的焊縫標(biāo)注不足等缺點(diǎn)。

圖6 索塔鋼錨梁圖紙（單位：mm）

4 鋼錨梁BIM模型與有限元計算關(guān)聯(lián)

4.1 BIM正向設(shè)計模型和有限元計算關(guān)聯(lián)流程

傳統(tǒng)設(shè)計中，用于局部計算的幾何模型需要單獨(dú)建立，如果板厚需要調(diào)整或結(jié)構(gòu)尺寸需要變化，幾何模型就要重新建立。利用BIM技術(shù)建立了施工圖幾何模型，對于板厚的調(diào)整或者尺寸的變化只需調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，與之關(guān)聯(lián)的參數(shù)如其他板件尺寸、空間位置均自動調(diào)整。不僅節(jié)約了幾何模型的建模時間，同時保證了幾何模型的準(zhǔn)確性。BIM模型與有限元計算模型關(guān)聯(lián)的過程如圖7所示。

圖7 鋼錨梁BIM模型與有限元計算關(guān)聯(lián)過程示意圖

4.2 鋼錨梁有限元計算

單個塔標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段中包含兩個鋼錨梁，鋼錨梁板件數(shù)量多且集中，限于個人計算機(jī)的處理能力，無法將板與板的相交處單元進(jìn)一步細(xì)化，故進(jìn)一步采用子模型技術(shù)分析應(yīng)力集中處。文章只給出粗模型計算結(jié)果，故應(yīng)力集中點(diǎn)較多。此外，錨梁的整體應(yīng)力水平符合要求，大部分均處于170MPa以下，內(nèi)外腹板及墊梁應(yīng)力云圖如圖8和圖9所示。

從圖8、圖9可以得出，除應(yīng)力集中點(diǎn)以外，鋼錨梁應(yīng)力水平在170MPa以下，應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論和展望

（1）利用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼錨梁的正向設(shè)計提高了設(shè)計效率和品質(zhì)，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)尤其是空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)提供了新的設(shè)計方式。

（2）將BIM正向設(shè)計的鋼錨梁模型和有限元計算結(jié)合起來是合理可行的，同時較大減少了模型重復(fù)修改的工作。

圖8 鋼錨梁內(nèi)腹板（上）和上腹板（下）總體應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖9 鋼錨梁底梁應(yīng)力圖（單位：MPa）

（3）BIM正向設(shè)計的幾何模型和有限元計算結(jié)合目前還是手動操作，如何自動判別計算結(jié)果的合理性并主動反饋給BIM軟件以進(jìn)行針對性的調(diào)整有待研究。