大型復(fù)雜鋼桁橋梁三維精細(xì)建模

姜 華，彭運(yùn)動(dòng)，于 歡

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

橋梁交通工程往往規(guī)模大、構(gòu)件布置復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)和施工管理過程中僅靠平面圖紙等資料很難完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求.特別是對(duì)決策者來說，并不具備對(duì)專業(yè)圖紙的讀取能力和對(duì)所設(shè)計(jì)工程的空間想像能力，因此如何直觀地反映復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)，為決策者提供詳細(xì)的參考資料，成為設(shè)計(jì)行業(yè)必須解決的問題.為此，筆者依據(jù)新的技術(shù)軟件，結(jié)合壩陵河特大鋼桁梁橋工程的設(shè)計(jì)，以Autodesk CAD軟件為平臺(tái)，建立了直觀、精細(xì)的壩陵河特大鋼桁橋梁空間模型［1］，為科學(xué)決策提供技術(shù)支持.

1 工程概況

壩陵河大橋跨越壩陵河峽谷，峽谷寬約2 000 m，深切達(dá)600 m，兩岸地勢(shì)陡峭，地形起伏變化很大.壩陵河大橋的橋型方案選用主跨為1 088 m的鋼桁加勁梁懸索橋［1］.橋主纜橫橋向間距為28.0 m，吊索順橋向間距為10.8 m.主桁架的桁高為10 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)為10.8 m，兩片主桁架左、右弦桿中心間距與主纜間距相同，為28.0 m.

2 三維精細(xì)模型的建立

主橋鋼桁架由主桁架，主橫桁架和上、下平聯(lián)組成.鋼桁加勁梁是由鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分組成.主桁架是由上、下弦桿，豎腹桿和斜腹桿組成，為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu).斜腹桿及上、下弦桿均選用閉口箱形斷面.在加勁梁端部及中央扣處的豎腹桿采用閉口箱形斷面，其余均采用H形斷面.主橫桁架由上橫梁、下橫梁、外側(cè)斜腹桿、豎腹桿及內(nèi)側(cè)斜腹桿組成，是單層桁架結(jié)構(gòu).外側(cè)斜腹桿均采用H形斷面，其余均選用閉口箱形斷面.上、下平聯(lián)均選用閉口箱形斷面梁［2－3］，采用K形體系.應(yīng)用Autodesk CAD軟件，建立的壩陵河鋼桁橋梁三維模型如圖1所示，圖中的(a)—(f)為圖2各詳圖的編號(hào).

圖1 主橋鋼桁加勁梁三維模型

2.1 鋼桁架各構(gòu)件之間的連接

主桁架的上、下弦桿設(shè)置了整體節(jié)點(diǎn)板，豎腹桿和斜腹桿通過整體節(jié)點(diǎn)板與上、下弦桿連接，主桁架的弦桿與主橫桁架的橫梁、平聯(lián)之間通過焊接節(jié)點(diǎn)板連接，如圖2(a)與(b)所示.主橫桁架的上、下橫梁設(shè)置了豎向焊接節(jié)點(diǎn)板，如圖2(c)與(d)所示.主橫桁架的豎腹桿(圖2(e))、斜腹桿通過豎向焊接節(jié)點(diǎn)板與上、下橫梁連接.主橫桁架的上、下橫梁設(shè)置了水平整體節(jié)點(diǎn)板，上平聯(lián)、下平聯(lián)(圖2(f))分別通過水平整體節(jié)點(diǎn)板與上橫梁、下橫梁連接.在節(jié)點(diǎn)板處，各構(gòu)件之間均采用高強(qiáng)度螺栓連接.

圖2 桁架連接部件圖

2.2 桁架及正交異性鋼橋面板

鋼桁加勁梁采用從兩側(cè)索塔向跨中架設(shè)的方案.主桁架的端節(jié)間作為第1架設(shè)節(jié)段，然后每?jī)蓚€(gè)節(jié)間作為一個(gè)架設(shè)節(jié)段，全橋共設(shè)置51個(gè)架設(shè)節(jié)段，其中跨中節(jié)段為合攏段，主桁架的各節(jié)段均采用平面構(gòu)架法拼裝.主橫桁架每個(gè)桁架片作為一個(gè)架設(shè)節(jié)段，全橋共有101個(gè)主橫桁架節(jié)段.主橫桁架各節(jié)段均采用平面構(gòu)架法拼裝.上、下平聯(lián)采用單桿拼裝.

在橫橋向，正交異性鋼橋面板分為左、右兩幅，每幅橋面板寬12 896.1 mm，兩幅橋面板之間凈距為600 mm.標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)10.8 m，每個(gè)節(jié)段沿橫橋向劃分為兩塊安裝節(jié)段.

2.3 正交異性鋼橋面板各構(gòu)件之間的連接

正交異性鋼橋面板的橋面板與U形加勁肋、縱向板肋、橫隔梁、縱梁之間通過焊接連接，如圖3(a)與(b)所示.順橋向兩塊正交異性鋼橋面板之間，橋面板通過焊接連接;U形加勁肋、縱向板肋和縱梁通過高強(qiáng)度螺栓連接，如圖3(c)與(d)所示.

圖3 橋面模型圖

2.4 正交異性鋼橋面板各聯(lián)之間的連接

正交異性鋼橋面板在兩端每10個(gè)節(jié)段作為一聯(lián)，跨中區(qū)域每20個(gè)節(jié)段作為一聯(lián)，全橋共設(shè)置為6聯(lián)，每?jī)陕?lián)之間設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫寬40 cm.

2.5 鋼桁架與正交異性鋼橋面板之間的連接

正交異性鋼橋面板的縱梁下面設(shè)置盆式橡膠支座，全橋共計(jì)848個(gè)，盆式橡膠支座放置在主橫桁架上橫梁的上翼緣板上.

2.6 鋼桁架與主纜之間的連接

上弦桿的腹板向上伸出耳板，吊索通過耳板銷接，將加勁梁吊在主纜上.

2.7 加勁梁的梁端約束

在加勁梁的梁端，主桁架端豎桿的正下方各設(shè)置一個(gè)豎向支座，豎向支座安裝在索塔的下橫梁頂面上，全橋共計(jì)4個(gè).主橫桁架端上橫梁和下橫梁兩端對(duì)應(yīng)主桁上、下弦桿的外側(cè)各設(shè)一個(gè)橫向抗風(fēng)支座，全橋共計(jì)8個(gè).在主跨跨中處，主纜與鋼桁架之間設(shè)置3對(duì)柔性中央扣.在正交異性鋼橋面板的端部各設(shè)置一組縱向伸縮縫裝置，全橋共計(jì)2組.

2.8 施工階段的架設(shè)鉸

根據(jù)施工階段鋼桁梁的受力情況，在主桁的上弦桿上設(shè)置4對(duì)臨時(shí)架設(shè)鉸.

2.9 鋼桁加勁梁的立面成橋線形

鋼桁加勁梁立面成橋線形為凸形豎曲線，如圖4所示.除端部節(jié)間外，主桁架在跨中區(qū)域等分為98個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上弦桿長(zhǎng)為10 781 mm，下弦桿長(zhǎng)為10 777.8 mm，除端部節(jié)間外，正交異性鋼橋面板在跨中區(qū)域也等分為98個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上長(zhǎng)10 801.5 mm.

圖4 成橋精細(xì)模型

3 精細(xì)模型的應(yīng)用及擴(kuò)展

3.1 桁架設(shè)計(jì)構(gòu)建尺寸校核

根據(jù)平面圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，對(duì)鋼桁加勁梁橋的主桁架、鋼橋面板、支座等進(jìn)行三維精細(xì)建模，然后再對(duì)各桿件進(jìn)行預(yù)拼裝，對(duì)所設(shè)計(jì)接頭部位的構(gòu)件連接和尺寸進(jìn)行一對(duì)一的空間預(yù)安裝校核，檢驗(yàn)各構(gòu)件的設(shè)計(jì)是否滿足施工安裝要求.

3.2 三維精細(xì)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

三維精細(xì)模型的建模完成后，可以通過Auto-CAD環(huán)境下的應(yīng)用軟件CIS2CAD直接讀取、設(shè)計(jì)、分析制作模型的STP文件，并可立即產(chǎn)生整個(gè)工程的三維CAD實(shí)體模型［4－5］.相應(yīng)的Access數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生虛擬仿真VRML文件，并自動(dòng)連續(xù)產(chǎn)生制作施工詳圖和車間圖，還提供了圖形編輯工具.虛擬現(xiàn)實(shí)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程如圖5所示.

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

該程序已成功應(yīng)用于北美數(shù)十個(gè)結(jié)構(gòu)工程，并從2005年起在我國(guó)國(guó)內(nèi)進(jìn)行漢化和調(diào)整，適應(yīng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并在國(guó)內(nèi)的兩個(gè)工程中加以應(yīng)用.為鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、施工過程管理的可視化研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持.

4 結(jié)語

1)建立的壩陵河鋼桁橋梁三維精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)桁架各設(shè)計(jì)構(gòu)件進(jìn)行模型預(yù)拼裝和桿件截面尺寸和節(jié)點(diǎn)的校核.

2)三維精細(xì)模型經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，為決策者提供可視化的數(shù)字分析模型，對(duì)做出科學(xué)的決策提供技術(shù)支持.

3)通過該工程的精細(xì)建模應(yīng)用，為同類型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)校核和可視化數(shù)字模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供了一種方法.

［1］魏群，彭成山，姜華，等.鋼桁梁架設(shè)過程仿真技術(shù)研究［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究所，2008.

［2］魏群，姜華，彭運(yùn)動(dòng)，等.大型鋼桁架懸索橋節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)成橋受力影響探討［J］.公路，2009(3):29－33.

［3］姜華，魏群，彭運(yùn)動(dòng).壩陵河大型懸索橋鋼桁加勁梁安裝施工新技術(shù)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(1):37－40.

［4］魏群.邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應(yīng)用［C］//新世紀(jì)水利工程科技前沿.天津:天津大學(xué)出版社，2005.

［5］魏群.數(shù)字城市可視化仿真三維實(shí)體建模及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)［C］//第二屆中國(guó)國(guó)際數(shù)字城市建設(shè)會(huì)議論文集.蘇州:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.