合肥新橋機(jī)場斜跨拱橋錨箱深化設(shè)計(jì)制作及BIM關(guān)鍵應(yīng)用

杜伸云

(中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，合肥市 230022)

1 工程概況

合肥市新橋國際機(jī)場高速公路斜跨拱橋主要由拱肋和橋面系組成。拱肋跨距68m，拱高24．286m。橋面系長72m，寬13．065m。拱肋斜跨過主梁，兩者之間的平面夾角為16°。主梁通過9對吊索均勻地作用在拱肋上，吊索采用空間索面，在順橋方向上形成一個扭轉(zhuǎn)面，具有很強(qiáng)的空間立體感見圖1。

圖1 新橋機(jī)場斜跨拱橋整體效果圖

拱肋為單箱單室截面見圖2，寬1．82m，高3．6m，采用T型加勁肋，全橋連續(xù)。每隔3m設(shè)置一道橫隔板，板厚為20mm。拱肋軸線在其平面內(nèi)為二次拋物線，方程為:y=0．021 008 403x2，矢跨比為0．357 1。

橋面系鋼結(jié)構(gòu)分為縱梁、橫梁、小縱梁見圖3?？v梁為箱型截面，并于外側(cè)形成風(fēng)嘴。橫梁為箱型截面，頂面布置剪力釘。小縱梁為工形截面，縱向通長布置。

2 錨箱深化設(shè)計(jì)

錨箱是梁、拱連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。因梁、拱吊索錨固點(diǎn)相對位置較復(fù)雜，錨箱的定位以及尺寸放樣就成了本橋深化設(shè)計(jì)及制作的難點(diǎn)。為提高三維放樣出圖的準(zhǔn)確率及效率，錨箱的深化設(shè)計(jì)使用了BIM，所用的核心建模軟件為Tekla Structures，然后通過此信息模型為后續(xù)的制作、安裝服務(wù)。下面主要介紹錨箱深化設(shè)計(jì)的步驟及要點(diǎn)。

2．1 梁、拱建模

按照設(shè)計(jì)要求，通過Tekla Structures軟件對梁、拱進(jìn)行建模，以確定梁、拱的相對位置、結(jié)構(gòu)、尺寸及材料、編號等信息。

2．2 確定梁、拱錨固點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)給出的坐標(biāo)點(diǎn)，先在梁、拱上分別標(biāo)記出錨箱的錨固點(diǎn)，然后將梁、拱對應(yīng)的點(diǎn)用直線(錨索)連接起來，從而確定出各錨箱導(dǎo)管的方位。

2．3 錨箱深化設(shè)計(jì)

錨箱的基本結(jié)構(gòu)見圖4，主要由錨墊板、錨底板、承壓板、導(dǎo)管及加勁板組成。錨箱深化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于縱梁與吊索之間的夾角多變，導(dǎo)致錨箱外形尺寸不規(guī)則，種類繁多。

下面以縱梁錨箱為例，介紹錨箱深化設(shè)計(jì)步驟:

2．3．1 導(dǎo)管深化

導(dǎo)管與錨索同心，下部至錨固點(diǎn)，上部伸出縱梁頂板100mm，按此規(guī)則確定導(dǎo)管的長度及角度，在Tekla Structures軟件中通過“創(chuàng)建梁”命令進(jìn)行建模。

2．3．2 錨底板深化

錨底板在導(dǎo)管底部且垂直于導(dǎo)管，按此規(guī)則在Tekla Structures軟件中通過“創(chuàng)建多邊形板”命令進(jìn)行建模。

2．3．3 承壓板深化

承壓板是錨箱的關(guān)鍵零件，其兩側(cè)頂緊縱梁隔板，頂部頂緊縱梁頂板，其外形尺寸隨錨索與縱梁的角度變化而變化。在建模時，先通過“創(chuàng)建多邊形板”命令在垂直于錨底板且通過導(dǎo)管圓心的平面內(nèi)畫出多邊形板(輔助零件)與頂板、對應(yīng)隔板相交(要求次板要足夠大)，然后在多邊形板的法向上向兩側(cè)復(fù)制多邊形板，后刪除原多邊形板。通過“使用另一零件切割”命令確定兩塊多邊形板(輔助零件)與隔板及頂板的交線，再通過“創(chuàng)建多邊形板”命令沿著交線描出承壓板的外形尺寸，最后刪除輔助零件。至此，完成承壓板的建模。

2．3．4 加勁板深化

加勁板垂直于底板及承壓板。在垂直于承壓板的平面內(nèi)通過“創(chuàng)建多邊形板”命令創(chuàng)建加勁板，然后通過“線性復(fù)制”及“鏡像”命令完成其余加勁板的建模。

通過以上步驟，在Tekla Structures軟件中完成錨箱的深化建模。

2．4 建模要點(diǎn)

2．4．1 零件屬性的準(zhǔn)確

由于本橋零件數(shù)量及種類繁多，因此在運(yùn)用Tekla Structures軟件建模時要求零件的屬性輸入要正確，以方便后面的查詢、修改、加工圖的輸出。零件屬性包含:零件編號的前綴、開始編號、構(gòu)件編號前綴、開始編號、名稱、截面型材、材質(zhì)等。只有在建模時正確的輸入這些信息，我們建立的信息模型最后才能得到準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果。

2．4．2 單元件的合理劃分

由于本橋結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很多零件要先制成單元件后，再總體拼裝。只有合理的劃分單元件，才能為圖紙輸出及工廠制作提供方便。本橋縱梁單元件分為:頂板單元、底板單元、斜底板單元、腹板單元、斜腹板單元、隔板單元及錨箱單元見圖5。為此，在使用Tekla Structures建模的時候必須先將組成各單元件的零件“焊接”在一起組成單元件(次構(gòu)件)，再將各單元件附在一個輔助構(gòu)件上組成構(gòu)件。輔助構(gòu)件是為出圖方便而設(shè)置的一個零件符號(擬定為1*1*2mm的長方體)，重量忽略不計(jì)，僅作為構(gòu)件編號及方便輸出各單元件的圖紙使用。

圖6 錨箱拼裝圖

圖7 錨箱與隔板拼裝圖

3 錨箱制作

錨箱制作的主要難度是錨箱導(dǎo)管角度的精度控制，保證梁、拱對應(yīng)的錨箱導(dǎo)管要在一條直線上。為保證拼裝精度，先將錨箱與對應(yīng)的隔板焊接在一起，然后將其整體吊入縱梁底板單元上就位，再拼裝斜底板單元、斜腹板單元、腹板單元及頂板單元，最后插入錨箱導(dǎo)管精確定位。所有這些工序的順利進(jìn)行，都得益于前階段所建立的數(shù)字模型。

3．1 錨箱制作流程

3．1．1 下料

主要是承壓板的下料。為保證制作精度，承壓板下料采用手工劃線號料，并使用半自動切割機(jī)進(jìn)行切割。錨底板下料采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行下料，勁板下料采用直條切割機(jī)進(jìn)行切割。下料時要標(biāo)記清楚零件的編號，必須與信息模型一一對應(yīng)。

3．1．2 劃線

主要包括:在隔板上劃錨箱承壓板與隔板的交線(承壓板位置線)，在錨底板上劃出承壓板、勁板的位置線，以及在承壓板底部劃出其與錨底板對應(yīng)的基準(zhǔn)線。

3．1．3 拼裝

按照劃線，先將錨箱拼成一個整體見圖6，然后再將其與隔板拼裝見圖7。主要控制點(diǎn)如下:

承壓板與錨底板之間的相對位置:通過兩塊承壓板的外形尺寸及與錨底板之間的空間位置關(guān)系，使承壓板與隔板的接觸邊在與隔板頂緊時形成一定的空間角度，即關(guān)鍵控制點(diǎn)。

錨箱與隔板之間的相對位置:將錨箱放在對應(yīng)的隔板上，通過3．1．2部分的劃線將錨箱與下部隔板定位，然后再將另一塊隔板放在錨箱上部。通過基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)上部的隔板使其在投影放樣與下部隔板重合，通過臨時支撐固定后整體焊接。

矯正

主要通過火焰矯法矯正焊接變形。

3．2 整體拼裝

拼裝流程:

以上拼裝流程主要是在專用胎架上通過各板單元的基準(zhǔn)線進(jìn)行定位，然后焊接。錨箱導(dǎo)管與頂板之間是斜交，頂板開孔形狀呈橢圓形見如圖8。箱梁焊接完成后，通過基準(zhǔn)線定位橢圓孔在頂板上的中心位置及長軸方向，進(jìn)行開孔切割，然后插入導(dǎo)管定位焊接。

至此，本橋的關(guān)鍵深化設(shè)計(jì)及制作已介紹完畢。本橋主體鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)已架設(shè)完畢見圖9。

圖8 頂板開孔圖

圖9 合肥市新橋國際機(jī)場高速公路斜跨拱橋現(xiàn)場安裝

4 結(jié)語

由于本橋結(jié)構(gòu)新穎，造型復(fù)雜，單純采用CAD制圖很難完成詳圖深化及指導(dǎo)工廠制作。通過BIM在本橋中的應(yīng)用很好地解決這種結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，且提高了深化設(shè)計(jì)的效率、準(zhǔn)確率，為工廠加工提供了很大的方便。復(fù)雜部位，工人可以觀察三維模型，提高了工人識圖的準(zhǔn)確度及識圖速度，為以后類似橋梁的深化設(shè)計(jì)及制作提供了一定的參考價值。

［1］《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB 10212—2009)［2］《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)

［3］《鋼結(jié)構(gòu)工程施工驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205－2001)

［4］張曉龍，馬恩成，夏續(xù)勇等．鋼結(jié)構(gòu)三維模型碰撞檢測技術(shù)研究及應(yīng)用［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):51-54．

［5］唐國武，王偉，杜伸云等．BIM在合肥南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋施工中的應(yīng)用［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(4):76-81．

［6］呂建鳴，陳可．斜拉橋空間有限元精細(xì)化建模技術(shù)研究［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):1-6．

［7］許鎮(zhèn)，任愛珠，陸新征．基于有限元的橋梁垮塌場景模擬初探［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4):14-20．