Solid Works設(shè)計軟件在平口資水大橋雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計及施工中的應(yīng)用

李震，王亞雄

（保利長大工程有限公司，廣州 510000）

1 引言

雙壁鋼圍堰相對于單壁鋼具有結(jié)構(gòu)剛度大、整體強(qiáng)度高、用鋼量大、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜的特點，能承受深水壓強(qiáng)。不需要設(shè)置圍檁，內(nèi)支撐可以直接撐在內(nèi)壁上，可分塊設(shè)計、加工。傳統(tǒng)施工單位在圍堰設(shè)計過程中通常使用AutoCAD進(jìn)行平面圖形的繪制，不便于直觀展現(xiàn)立體的、復(fù)雜的圍堰結(jié)構(gòu)，且AutoCAD的3D繪圖功能的局限性太大。由達(dá)索公司（Dassault Systemes）旗下子公司出品的Solid Works是服務(wù)于機(jī)械設(shè)計的輔助設(shè)計軟件，該軟件有針對型鋼加工的設(shè)計模塊和零件組拼的裝配體模塊，在設(shè)計過程中可以方便地調(diào)整設(shè)計參數(shù)，十分適合對圍堰焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。因此，擬在平口資水大橋雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計和施工中引入Solid Works軟件進(jìn)行深化設(shè)計、模擬施工，在施工前做好充足的技術(shù)準(zhǔn)備，擬訂效率最高、最經(jīng)濟(jì)的圍堰加工和施工方案，推動同類型乃至工程類各項臨時鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工技術(shù)的進(jìn)步。

2 工程概況

官新高速11標(biāo)平口資水大橋，主橋采用三柱四跨的連續(xù)剛構(gòu)單箱單室預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，全橋總長度為839 m，左右幅分離式設(shè)置，剛構(gòu)橋跨布置為56 m+（90 m）×2+56 m，主橋承臺為立方體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順橋向長8.5 m，橫橋向?qū)?2.6 m，高3.2 m，每個承臺由3×2根直徑2 m的混凝土樁基礎(chǔ)支撐，其中9#、10#墩在同一平面位置，承臺頂標(biāo)高為150 m，承臺底比河床高1 m左右，因此，9#、10#墩左右幅共4個承臺采用“先樁后圍”的施工方案，設(shè)置4個雙壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行輔助施工。

平口資水大橋位于湖南省益陽市安化縣柘溪水庫之中，水庫庫容量達(dá)35.4億m3，橋址距柘溪大壩上游約70 km左右，同時地處湖南省婁底市新化縣龍灣濕地公園內(nèi)，該濕地公園屬于國家級重點水資源保護(hù)區(qū)。受限于水壩攔截，該水域無法駛?cè)胫匦推鹬卮啊ＹY水為湖南四大河流之一，洪峰通常是每年6月初到來，水庫為應(yīng)對每年的洪峰，會在2月份開始開閘放水騰庫容，在3月份降至最低149 m左右，直到6月洪峰到來前，水庫水位會維持在+156 m以下，一旦汛期到來，暴雨集中，雨水匯集，水位會迅速暴漲至166 m左右。

3 雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

雙壁鋼吊箱圍堰的主要結(jié)構(gòu)組成有：圍堰底板、圍堰側(cè)板和內(nèi)支撐，外側(cè)水壓傳遞順序由外側(cè)板傳導(dǎo)至內(nèi)支撐，浮力由底板傳遞至鋼護(hù)筒。其中，圍堰底板由底板龍骨、底板面板和底板加勁肋組成；圍堰側(cè)板由前后面板、縱橫加勁肋和斜撐組成。圍堰內(nèi)側(cè)板除了與外側(cè)板共同擋水還要承擔(dān)承臺模板的功能。圍堰設(shè)計總高度為21.9 m，深度較大，底部承受水壓力巨大，因此，在側(cè)板內(nèi)設(shè)置豎向加勁肋以加強(qiáng)圍堰側(cè)板的豎向剛度。為提高空心側(cè)板的剛度，每隔4~5 m設(shè)置一條加勁肋，內(nèi)支撐受力支撐點均設(shè)計在加勁肋上。內(nèi)支撐為φ630 mm×10 mm螺旋鋼管，通過3拼I45型鋼分配梁組合在一起[1]。

外側(cè)水壓荷載的傳遞順序為側(cè)板→加勁肋→分配梁→內(nèi)支撐，由于水壓力從上至下逐漸遞增，因此側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)計從上至下由弱到強(qiáng)，從第5層單壁側(cè)板，至第1層的雙壁側(cè)板，內(nèi)部加勁肋由疏至密，避免了上下一致的結(jié)構(gòu)造成的材料浪費，同時也保證了荷載傳遞的最優(yōu)化，平均分?jǐn)偭私Y(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 Sol i dWor ks模型建立

圍堰初步擬定好尺寸、材料后，根據(jù)初步設(shè)計利用Solid Works建立焊件零件。圍堰零件結(jié)構(gòu)應(yīng)按現(xiàn)場加工制作流程拆分成零部件，拆分過程中應(yīng)充分考慮場地條件、運輸條件和吊裝條件。在最大化利用場地設(shè)備的運轉(zhuǎn)能力前提下，盡量減少分塊數(shù)量，以達(dá)到加工質(zhì)量和場地設(shè)備周轉(zhuǎn)的最優(yōu)化。分塊零件設(shè)計完成后，通過Solid Works裝配體模塊將各個零件配合組裝，模擬安裝順序和檢查構(gòu)件碰撞，綜合比對選出效率最高和經(jīng)濟(jì)最為合理的圍堰加工及安裝方案。

4.1 焊件零件建模

Solid Works中，焊件是指含有多個實體的特殊零件模型，同時焊件庫內(nèi)包括了國標(biāo)型鋼可直接調(diào)用。焊件完成設(shè)計后可以分解為切割清單，自動生成材料尺寸、數(shù)量清單，指導(dǎo)原材料下料，減少不必要的下料浪費，提高經(jīng)濟(jì)效益。

最終根據(jù)加工場地和轉(zhuǎn)運設(shè)備確定每個焊件零件為一個加工單元，每層側(cè)板分3種A、B、C側(cè)板和加勁肋，最大尺寸為4.3 m×5.6 m，最大質(zhì)量為4.2 t。該分塊模式便于加工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化加工。

4.2 裝配體模擬安裝

Solid Works中裝配體模塊可將不同的零件體通過約束條件組裝到一起，模擬圍堰構(gòu)件安裝的過程。裝配體調(diào)整好后進(jìn)行零配件干涉檢查，干涉檢查可排查圍堰構(gòu)件在安裝過程中可能發(fā)生的碰撞問題，根據(jù)干涉檢查的結(jié)果分析可以判斷該結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際施工過程中是否會發(fā)生阻擋、碰撞等問題[2]。通過裝配體配合過程，可以模擬現(xiàn)場吊裝施工過程，確認(rèn)起吊重量是否在吊車的安全工作曲線范圍內(nèi)。完成組裝的裝配體文件可另存為STL文件，該格式文件可導(dǎo)入3Dmax等動畫制作軟件，直接依據(jù)模型渲染出現(xiàn)場施工效果圖，施工渲染圖如圖1所示。

圖1 吊裝模擬

5 深化圍堰設(shè)計

通過Solid Works建模初步擬定了圍堰尺寸和切割清單后，將圍堰底板、側(cè)板、內(nèi)支撐以及封底模型導(dǎo)入有限元分析計算軟件Midas civil中，設(shè)定圍堰吊裝、封底混凝土灌注、封底后抽水施工和承臺施工4種受力工況。分別需要加載的荷載有：圍堰自重、封底混凝土質(zhì)量、浮力、流水壓力。通過對有限元模型受力情況的分析，進(jìn)一步調(diào)整結(jié)構(gòu)中加勁肋角鋼的規(guī)格、間距，在受力較小位置降低加勁強(qiáng)度，在應(yīng)力集中的位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，加強(qiáng)補強(qiáng)型鋼。通過浮力平衡計算可得出封底混凝土最小厚度為1.837 m，考慮到水下護(hù)筒外表難以保證完全潔凈，且由于封底混凝土為水下灌注，難以保證整個混凝土均勻、密實和等高。因此將封底混凝土厚度調(diào)整為2.2 m。根據(jù)圍堰吊裝工況地板龍骨的受力情況，綜合現(xiàn)場測量所得的護(hù)筒傾斜情況，優(yōu)化了底板龍骨下放吊點斜撐的位置[3]。

根據(jù)側(cè)板加勁肋在不同水深的受力情況，優(yōu)化了加勁肋角鋼的布置：第1段3.6 m為單壁側(cè)板，加勁肋為H400型鋼，間距1 200 mm布置；第2段3.6 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距1 200 mm布置；第3段3 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距1 000 mm布置；第4段1.6 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距800 mm布置；第5段3.5 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×14 mm，間距700 mm布置；第6段1.6 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×14 mm，間距800 mm布置；第7段3.6 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×16 mm，間距600 mm布置；第8段2.0 m雙壁側(cè)板，加勁肋為L200 mm×125 mm×16 mm，間距1 000 mm布置；通過有限元受力分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改變了圍堰從上至下一刀切的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，針對不同受力環(huán)境采取不同強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料，在節(jié)約成本的同時保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

6 工程實踐

平口資水大橋雙壁鋼圍堰從設(shè)計到施工過程中采用Solid Works對雙壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行設(shè)計、施工全過程模擬，經(jīng)過有限元分析軟件Midas civil優(yōu)化設(shè)計后，結(jié)合3Dmax動畫軟件進(jìn)行動態(tài)演練，將鋼吊箱圍堰施工過程進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換。最終通過方案比選選擇其中最為經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的施工方案。確定好方案后，通過模型、動畫對現(xiàn)場施工技術(shù)人員進(jìn)行交底，使得施工技術(shù)人員能直觀地了解圍堰加工、施工過程。以上方案成功應(yīng)用于平口資水大橋9#、10#主墩雙壁鋼吊箱圍堰施工。

6.1 圍堰加工制作

依據(jù)Solid Works裝配體焊件清單，進(jìn)場型鋼原材料，并按要求下料。側(cè)板單元塊的加工順序為：加工平臺鋪設(shè)→拼焊單側(cè)面板→點焊安裝橫向加勁肋角鋼→點焊安裝豎向加勁肋角鋼→補焊加勁肋焊縫→前后兩側(cè)面板對扣定位→安裝斜撐角鋼。圍堰加工過程中應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)焊接質(zhì)量，焊縫應(yīng)由疏至密，嚴(yán)禁順序焊接，防止面板不均勻受熱產(chǎn)生的變形。單元塊制作成型后應(yīng)進(jìn)行超聲波焊縫檢測和煤油抗?jié)B試驗，驗收合格后將各塊件依據(jù)裝配體清單進(jìn)行編號，加工好的單元件按清單進(jìn)行驗收、入庫。

6.2 圍堰側(cè)板安裝及下放

利用Solid Works裝配體模塊，對單元塊進(jìn)行模擬拼裝，確定好最優(yōu)安裝方案后對現(xiàn)場工人及機(jī)械操作手進(jìn)行施工動畫技術(shù)安全交底。測量人員根據(jù)模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)后進(jìn)行現(xiàn)場放樣，將輪廓線用石蠟筆劃出，依據(jù)側(cè)板安裝動畫順序進(jìn)行側(cè)板吊裝，側(cè)板安裝過程中要求對稱、分層拼裝。

測量人員復(fù)測鋼護(hù)筒傾斜度后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Solid Works裝配體模型后，施工技術(shù)人員可在裝配體中上下平移圍堰模型，檢查開孔位置與鋼護(hù)筒的碰撞情況，確認(rèn)底板開孔位置不會在下放過程中發(fā)生孔沿和護(hù)筒卡死。

7 結(jié)語

本文結(jié)合平口資水大橋地處柘溪水庫庫區(qū)和龍灣濕地公園生態(tài)敏感區(qū)和承臺設(shè)計要求，采用深水雙壁鋼吊箱輔助承臺施工。引入Solid Works輔助設(shè)計軟件和Midas civil有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用3Dmax進(jìn)行施工現(xiàn)場工序模擬，確定了最終的圍堰設(shè)計方案：圍堰高度為21.9 m，寬度15.4 m，長度11.3 m。經(jīng)過施工實踐證明，平口資水大橋深水承臺雙壁鋼吊箱圍堰具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，足夠抵抗設(shè)計水深壓力，保證承臺安全施工。同時，由于提前對施工作業(yè)流程的模擬和優(yōu)化，4個圍堰施工從2021年3月1日至2021年5月1日共歷時2個月，完成總計1 500 t的圍堰安裝與下放，較正常施工工期縮短了近40 d，得出如下結(jié)論：

1）在水位變化高差大的庫區(qū)內(nèi)，利用雙壁鋼吊箱圍堰施工深水高墩承臺，可為承臺施工提供一個干燥、安全的施工環(huán)境，有效提升工程品質(zhì)；

2）在設(shè)計階段引入Solid Works設(shè)計軟件和Midas civil有限元分析軟件可便于結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化、簡化設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少用鋼量，節(jié)約成本，提高設(shè)計效率；

3）將Solid Works模型導(dǎo)入3Dmax軟件，可模擬現(xiàn)場安裝的施工組織，優(yōu)化施工流程，壓縮項目工期，節(jié)約人工成本；

4）以Solid Works軟件為核心的設(shè)計、施工指導(dǎo)思路有效地提高了施工效率，節(jié)約了工程成本，提升了工程質(zhì)量，確保了項目施工安全，為類似工程臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個嶄新的思路。