CAD 和Midas/Civil 用于異形結(jié)構(gòu)桿板單元混合建模設(shè)計(jì)

劉 勇，趙毓欣，張海鵬

（中交第四公路工程局有限公司第七分公司，重慶市401121）

0 引 言

在國(guó)家從制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的大背景下，公路橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)亦取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中包括造型及美觀度的創(chuàng)新優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)與人文自然的充分協(xié)調(diào)，以滿足人民對(duì)美好生活的向往等等。異形結(jié)構(gòu)的豐富，一方面對(duì)施工單位的施工技術(shù)提出了新的要求，同時(shí)也通過(guò)工程的實(shí)施提升了企業(yè)的核心技術(shù)。

臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算為專項(xiàng)方案的重要組成部門，通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，優(yōu)化臨時(shí)結(jié)構(gòu)方案，是從技術(shù)上確保安全質(zhì)量、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的重要課題[1]。Midas/Civil 通用的空間有限元分析軟件和CAD 繪圖軟件被廣泛應(yīng)用于公路行業(yè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，本文即以2 項(xiàng)軟件的綜合運(yùn)用，解決牽索掛籃底籃拱桁架桿板混合建模設(shè)計(jì)的問(wèn)題，為類似臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種思路。

1 工程概況

某大橋?yàn)榈劐^式混凝土斜塔斜拉橋，該橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土Π 形梁，主梁?jiǎn)蝹?cè)懸臂長(zhǎng)度170 m，采用牽索掛籃法施工。

本橋主梁頂寬29.0 m，底寬30.6 m，邊主梁處高2.5 m，懸臂節(jié)段長(zhǎng)8.0 m，每節(jié)段前端設(shè)橫梁1道，節(jié)段方量為171.96（標(biāo)準(zhǔn)）～231.87 m3。對(duì)比現(xiàn)有可搜集的資料（見(jiàn)表1），該橋主梁屬于截面較大、節(jié)段較長(zhǎng)、總重量較大的設(shè)計(jì)。不同于常見(jiàn)的Π 形梁邊主梁內(nèi)側(cè)采用垂直式設(shè)計(jì)，本橋邊主梁內(nèi)側(cè)采用了內(nèi)傾式設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

由于尺寸較大，使得底籃桁架跨度較大，總荷載較大，同時(shí)又因Π 形梁邊主梁采用了非常見(jiàn)的內(nèi)傾設(shè)計(jì)，兩端部分布的荷載也較大，因而對(duì)底桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，具體為：

（1）主梁截面寬大（內(nèi)邊凈距22.6 m，按支拱桁支點(diǎn)計(jì)算為27 m，已接近30 m 預(yù)制T 梁翼板標(biāo)準(zhǔn)），造成荷載大，必須合理地控制截面尺寸的承載水平，不能過(guò)于富余，需充分減輕結(jié)構(gòu)自重以便施工操作。

（2）受制于Π 形梁的特點(diǎn)，在幾何上，桁架立面需呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的設(shè)計(jì)，但載荷分布呈現(xiàn)出中間低兩側(cè)高的形態(tài)，桁架端截面的承載能力要求明顯高于中部截面。

2 底籃拱桁架功能設(shè)計(jì)

（1）為提高工效，底籃采用整體提升式設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。4 片拱桁架橫橋向布置（見(jiàn)圖3），4 片拱桁拱腳位置設(shè)全通提籃梁，采用4 個(gè)穿心千斤頂進(jìn)行底籃的整體提升。

（2）根據(jù)梁底截面，采用拱桁架形式，以減少底籃總組裝高度，使拱桁支點(diǎn)能夠固定于掛籃主承重鋼箱梁高的中部位置以提高穩(wěn)定性；同時(shí)，由于拱架端部?jī)?nèi)力較大，端部采用了鋼板進(jìn)行加強(qiáng)，并形成了鋼箱結(jié)構(gòu)；端部尺寸的加大，使得常規(guī)采用固定（槽形）導(dǎo)軌包拱架端部的設(shè)計(jì)變更為拱架端部（槽形設(shè)于拱桁上）包導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。

（3）拱桁架上部以受壓為主，為解決拱桁架在壓力下側(cè)向穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)置型鋼平聯(lián)（見(jiàn)圖4）。

表1 部分預(yù)應(yīng)力混凝土Π 形梁斜拉橋主梁參數(shù)表

圖1 本橋主梁載面及節(jié)段分界細(xì)部（單位：cm）

圖2 整體提升式設(shè)計(jì)（單位：cm）

圖3 拱桁架橫橋向的布置（單位：cm）

圖4 型鋼平聯(lián)（單位：cm）

（4）為了便于制作，拱桁架上部主肋采用數(shù)控貼割鋼板制作，采用標(biāo)準(zhǔn)圓線型，以利于工廠加工。

（5）為便于運(yùn)輸，拱桁架分節(jié)長(zhǎng)度不大于9 m。

（6）除0#、1#、2# 塊以外，全部節(jié)段都可適用。

本項(xiàng)目掛籃現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 掛籃現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

為適應(yīng)主梁外形，并充用利用結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，減輕結(jié)構(gòu)自重，采用拱桁結(jié)構(gòu)作為主梁的承重結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算的難點(diǎn)在于拱架幾何尺寸確定時(shí)要充分考慮結(jié)構(gòu)的預(yù)期功能；細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)部分則要結(jié)合驗(yàn)算過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，多次調(diào)整后取得最優(yōu)結(jié)果[2]。

3.1 主要幾何尺寸的確定

3.1.1 牽索掛籃的三維定位

牽索掛籃主體尺寸已完成設(shè)計(jì)，安裝尺寸已確定。利用CAD 軟件同步繪制俯視、橫橋、順橋3 個(gè)垂直面剖（投影）圖，即可完成對(duì)象的三維準(zhǔn)確定位。依據(jù)拱桁布置的位置，提取到最小的拱桁尺寸包絡(luò)圖，主要細(xì)節(jié)包括：

（1）在俯視圖投影了掛籃主體結(jié)構(gòu)及主梁底部邊線，其中左側(cè)陰影屬主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段（含齒板），右側(cè)則屬非標(biāo)準(zhǔn)段。主梁橫梁底部線位于掛籃主體前橫梁的后側(cè)，這是為了實(shí)現(xiàn)整體提升而采用的設(shè)計(jì)。

（2）橫橋向圖中，模擬底籃上下運(yùn)動(dòng)，截取了不同大小截面的包絡(luò)截面以用于拱桁架尺寸比對(duì)。

（3）順橋向圖中，確定了拱桁架的布置位置。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)拱桁架尺寸的確定

由于主梁截面的變化，應(yīng)當(dāng)以最小的截面來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)拱桁的尺寸。圖6 中“澆筑標(biāo)準(zhǔn)節(jié)時(shí)安裝部分”即是將拱架分為基本件和附加件的設(shè)計(jì)方式，以適應(yīng)變截面段的施工。為了便于日后附加件的安裝（焊接），基本件端部采用了水平設(shè)計(jì)?；炯瞬康撞吭O(shè)計(jì)了雙工字鋼提升梁，用于底籃整體提升及下放。拱桁端部設(shè)置加強(qiáng)板，以適應(yīng)端部高剪力、高彎拉力的情況，對(duì)形狀進(jìn)行了優(yōu)化?；炯捎? 段式設(shè)計(jì)，采用螺柱對(duì)接，最長(zhǎng)件9 m，以便于山區(qū)運(yùn)輸。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)拱桁的設(shè)計(jì)（單位：cm）

在主要構(gòu)件的定尺上，采用了3 或5 的模數(shù)倍，以利于加工及施工。拱桁間距1.8 m，各腹桿間距為120 cm。

3.2 材料選用常規(guī)型材

（1）拱桁架上壓桿為雙14# 對(duì)口槽鋼，沿主梁下緣布置。

（2）拱圈采用雙腹板工字箱型截面，拱軸線為圓弧形，以便于施工并有效減短拱桁的腹桿長(zhǎng)度；拱圈根部位置混凝土最厚，拱圈根部外包成鋼箱結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變截面段施工，并使全拱圈應(yīng)力控制在相同水平。

（3）水平拉桿為雙14# 背口槽鋼，便于垂直系桿通過(guò)。

（4）水平拉桿與拱腳處采用銷接；拱架拱腳與掛籃主承重結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌相嵌，采用銷接固定。

3.3 建模計(jì)算要點(diǎn)

3.3.1 模型骨架的建立

采用CAD 與Midas/Civil 進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。主拱架設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)施工要求設(shè)計(jì)拱桁外形，繪制各桿件軸線、鋼板的幾何尺寸，通過(guò)Midas/Civil 的DXF 文件導(dǎo)入功能形成結(jié)構(gòu)模型。采用CAD 導(dǎo)入方法的優(yōu)勢(shì)在于不必在Midas 中逐個(gè)計(jì)算座標(biāo)，能快速準(zhǔn)確建立模型骨架，并根據(jù)試算結(jié)果及時(shí)調(diào)整方案。主要技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）拱桁桿件軸線采用DXF 文件導(dǎo)入，在各軸線相接處、需要計(jì)算內(nèi)力的位置及連接的位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)。

（2）加強(qiáng)鋼板輪廓導(dǎo)入后，可以利用網(wǎng)格工具劃分網(wǎng)格得到板單元節(jié)點(diǎn)，板單元節(jié)點(diǎn)通過(guò)剛性連接單元與拱桁拱圈桿單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，即可模擬兩者的連接。

（3）工字型截面先繪制DXF 文件，導(dǎo)入Midas SPC截面設(shè)計(jì)器進(jìn)行網(wǎng)格化后再導(dǎo)入至Midas 即可。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)截面、變截面加載

拱桁架要適用于全部分標(biāo)準(zhǔn)截面和變截面，荷載及其組合按《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008）要求進(jìn)行加載。技術(shù)難點(diǎn)為異形截面混凝土荷載的加載?，F(xiàn)澆段分標(biāo)準(zhǔn)截面和變截面2 種，2種工況下荷載、桁架幾何尺寸皆不同，故建模建了2套，一套是以標(biāo)準(zhǔn)段工況為基準(zhǔn)，一套是以最不利變截面段為基準(zhǔn)（經(jīng)計(jì)算，最不利變截面段為控制設(shè)計(jì)）。

（1）永久荷載為混凝土重G1及結(jié)構(gòu)自重G2。主梁中間部分，混凝土高度一致，采用均布荷載加載；主梁兩側(cè)變截面部分，根據(jù)2 根腹桿區(qū)間面積質(zhì)心位置進(jìn)行分配，再通過(guò)在腹桿頂加集中荷載確定（見(jiàn)圖7）。質(zhì)心的確定采用CAD 軟件的面域查詢功能。荷載加載示意圖見(jiàn)圖8、圖9。

圖7 異形載面混凝土荷載的處理（按混凝土高度進(jìn)行轉(zhuǎn)換）

圖8 混凝土重（3# 段尾截面）加載于結(jié)構(gòu)上（單位：kN/m）

圖9 混凝土重（標(biāo)準(zhǔn)段截面）加載于結(jié)構(gòu)上（單位：kN/m）

（2）可變荷載考慮了混凝土振搗力Q。

（3）其他工況荷載分別按集中力或均布力加載，荷載值不同。

3.3.3 2 種組合應(yīng)力S

（1）基本組合應(yīng)力：S=0.9×1.35×（G1+G2）+0.9×1.4×0.7Q。

（2）標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力：S=1.0×（G1+G2）。

（3）梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力：Max=198MPa，Min=-193MPa；梁?jiǎn)卧魬?yīng)力：Max=14.8 MPa，Min=-33.9 MPa；板單元Von-Mises 應(yīng)力：Max=161 MPa，Min=2.1 MPa；桁架單元拉應(yīng)力：Max=18.5 MPa，Min=6.9 MPa。

結(jié)果匯總顯示各應(yīng)力均符合規(guī)范要求；變形符合規(guī)范要求（以上材料均采用Q235 級(jí)鋼材）。

基本組合應(yīng)力見(jiàn)圖10。

圖10 基本組合應(yīng)力（單位：MP a）

標(biāo)準(zhǔn)組合下，全橋Z向最大變形值為-3.5 cm，小于拱架跨度的l/500（2 605/500=5.21 cm），見(jiàn)圖11。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合下的結(jié)構(gòu)總變形

3.4 施工圖紙的繪制

在異形結(jié)構(gòu)中，模板尺寸的計(jì)算較為困難，通過(guò)CAD 三維功能，可以提取出每個(gè)面的尺寸（見(jiàn)圖12），為勞業(yè)層提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以提高其工效。

圖12 利用CAD 的三維功能展開(kāi)內(nèi)模并進(jìn)行模板分塊規(guī)劃

經(jīng)計(jì)算確定方案的可行性后，還需要繪制詳細(xì)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)施工圖紙及物料清單，細(xì)化局部的螺椼連接、焊接技術(shù)要求，完善計(jì)算書，完善報(bào)批手續(xù)?？紤]到加工廠的技術(shù)水平，本項(xiàng)目圖紙基本細(xì)化至全部下料細(xì)節(jié)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）本次設(shè)計(jì)的牽索掛籃底籃在大橋的建設(shè)中得到成功應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形滿足要求，組裝便捷，達(dá)到整體提升的功效，明顯減少了節(jié)段施工底模的組拼時(shí)間，提高了工效。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段平均施工周期控制在7 d 以內(nèi)（本橋由于結(jié)構(gòu)原因，采用了塔梁同步施工工藝）。

（2）通過(guò)CAD 與Midas/Civil 的有效結(jié)合，解決了Midas/Civil 幾何模型建模靈活性不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了板桿單元的混合建模。通過(guò)局部板的加強(qiáng)，滿足了底籃端部力學(xué)要求及功能性（形狀）需求，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均衡，整體輕便美觀，達(dá)到了優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量的要求。

（3）充分應(yīng)用CAD 的三維功能，可以實(shí)時(shí)快速地解決異形模板尺寸的問(wèn)題（如齒板、斜交梁肋），有助于減少錯(cuò)誤，提高工效。通過(guò)同步剖（投影）繪制結(jié)構(gòu)物，可以準(zhǔn)確重構(gòu)三維實(shí)體的控制斷面，特別適用于三維的臨時(shí)支架工程、塔式起重機(jī)附著等工程的施工圖繪制，可以解決空間設(shè)計(jì)的碰撞問(wèn)題。