基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)

摘要：由于目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，且在制造、安裝過程中存在各種不確定性因素，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性不足，影響整個(gè)橋梁的安全性和使用壽命?；诖?，提出一種基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法。首先，進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的幾何特征分析與節(jié)點(diǎn)庫(kù)設(shè)計(jì)，通過將BIM技術(shù)與有限元分析方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化建模和穩(wěn)定性分析。然后，應(yīng)用基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法，對(duì)橋梁進(jìn)行變形位移監(jiān)測(cè)，相關(guān)變形數(shù)值符合施工規(guī)定。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；裝配式建筑；節(jié)點(diǎn)庫(kù)；鋼結(jié)構(gòu)

基金項(xiàng)目：“雙碳”目標(biāo)下拉薩裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展及基于BIM技術(shù)的應(yīng)對(duì)策略的研究（202310694008）

0" "引言

在國(guó)內(nèi)某些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于受到自然環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的橋梁建設(shè)常以3～10個(gè)月為主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，總體施工窗口時(shí)間較短。且現(xiàn)場(chǎng)施工常缺乏專業(yè)人員，存在施工技術(shù)薄弱等等問題。裝配化施工因具有適用范圍廣、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、質(zhì)量易于控制、施工速度快等，逐漸成為我國(guó)橋梁施工的重要形式。

由于目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，且在制造、安裝過程中存在各種不確定性因素，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性不足，影響整個(gè)橋梁的安全性和使用壽命。基于此，本文提出一種基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法。

1" "基于BIM橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法

1.1" "橋梁幾何特征分析與節(jié)點(diǎn)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.1.1" "橋梁幾何特征分析

在節(jié)點(diǎn)所在截面采用等效截面法，以實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在極限狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性檢測(cè)與變形控制，并建立便于工程應(yīng)用的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點(diǎn)分析中，一般將其按等效剛度換算為鋼材，再與其下部邊緣的工字形鋼材組成組合截面。鋼結(jié)構(gòu)因其自身的均勻特性和各向異性等特性，使其總體計(jì)算更為直觀、簡(jiǎn)明[2]。

當(dāng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的連接板與柱之間的鉸接設(shè)置為雙邊角焊縫，而連接板與梁腹板之間相連處為高強(qiáng)度螺栓時(shí)，則高強(qiáng)度螺栓與焊縫之間的連接點(diǎn)，除了要考慮梁端部分的剪切之外，還應(yīng)該考慮由偏心引起的附加彎矩。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的幾何特征如圖1所示。

1.1.2" "相關(guān)參數(shù)計(jì)算

當(dāng)橋梁使用單側(cè)連接板進(jìn)行連接時(shí)，連接板的厚度t的計(jì)算公式如下：

（1）

式中：g2表示連接板垂直方向的長(zhǎng)度，g1代表梁腹板的高度，tε 表示梁腹板的厚度。

在次梁端位置的剪力作用下，使用一個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接橋梁的一側(cè)所受的作用力nv 的計(jì)算公式如下：

（2）

式中：α表示高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量，χ代表高強(qiáng)度螺栓的中心承載力。

1.1.3" "鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)分類

根據(jù)上文分析的橋梁連接板與柱之間方式，本文使用BIM技術(shù)的Tekla Structures軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，按照鉸接與剛接的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行分類，其節(jié)點(diǎn)分類結(jié)果如表1所示[3]。

1.1.4" "連接節(jié)點(diǎn)庫(kù)建立

在節(jié)點(diǎn)分類基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)的Tekla軟件對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，并采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想建立連接節(jié)點(diǎn)庫(kù)。參數(shù)化是指在建立節(jié)點(diǎn)庫(kù)時(shí)，依據(jù)參考平面與參照線，使裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁按照施工需求協(xié)調(diào)變動(dòng)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點(diǎn)組成，包括方鋼管柱、H型鋼柱、梁腳底板和螺栓等。在鋼構(gòu)件橋連接板與基本結(jié)構(gòu)連接時(shí)，根據(jù)尺度需要改變連接板的位置。在鋼構(gòu)橋節(jié)點(diǎn)模型建立完畢后，再嵌入鋼筋。在節(jié)點(diǎn)模型建立過程中，由于節(jié)點(diǎn)參數(shù)與基本結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為此可采用橋梁中心參數(shù)調(diào)節(jié)其余參數(shù)[4]。

1.2" "基于BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)

基于BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁節(jié)點(diǎn)庫(kù)設(shè)計(jì)后，使用該節(jié)點(diǎn)庫(kù)進(jìn)行對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)。模型單元傳遞矩陣為穩(wěn)定性檢測(cè)的狀態(tài)變量，通過節(jié)點(diǎn)單元的剛度矩陣和桿件的變形微分方程，可構(gòu)造出結(jié)構(gòu)的基元端部和最近鄰接點(diǎn)元端面狀態(tài)量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1.2.1" "單元上、下端狀態(tài)變量之間轉(zhuǎn)換

節(jié)點(diǎn)庫(kù)中的第段單元上、下端狀態(tài)變量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的表達(dá)公式如下：

qzi=riqxi=riUiqzi-1=Viqzi-1" " " " " " "（3）

式中：qzi表示結(jié)構(gòu)上端面狀態(tài)變量，qxi代表結(jié)構(gòu)下端面狀態(tài)變量，qzi-1表示第i-1段上端面的狀態(tài)變量，ri、Ui分別代表轉(zhuǎn)換向量。

1.2.2" "節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性分析傳遞向量計(jì)算

裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性分析傳遞向量的表達(dá)公式如下：

（4）

式中：k代表節(jié)點(diǎn)的柱剛度，m代表相同的層柱數(shù)量，h表示鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)框架的高度，A代表相同處梁線剛度的參數(shù)，P代表鋼結(jié)構(gòu)的豎向載荷。

1.2.3" "端面節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量計(jì)算

經(jīng)過整合變量后，得到鋼結(jié)構(gòu)橋梁上的端面節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量表達(dá)公式如下：

qn=VnVn-1…V2V1q0=Vq0" " " " " " "（5）

1.2.4" "鋼結(jié)構(gòu)柱所承擔(dān)軸向壓力計(jì)算

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，所受的集中荷載和所受的均布荷載可以看作是橋梁截面上的一個(gè)集中應(yīng)力。該應(yīng)力是沿著橋梁柱的軸向施加的。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的框架沿高度方向施加，承受質(zhì)量和剛度都是均勻分布，所以可以將鋼結(jié)構(gòu)每層柱所承擔(dān)的軸向壓力設(shè)定大致相同，其計(jì)算公式如下：

yij=φi y" " " " " " " " " "（6）

式中：φi 代表最大屈服值，yij表示橋梁節(jié)點(diǎn)在第i處第j根柱所受的豎向應(yīng)力。

1.2.5" "節(jié)點(diǎn)承受的水平荷載計(jì)算

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的第i處節(jié)點(diǎn)上，其水平側(cè)荷載作用隨高度的增加而增大[5]。水平荷載可以分為風(fēng)荷載和地震荷載，兩者都可以用與垂直荷載成線性關(guān)系表示，第i處鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)承受的水平荷載的計(jì)算公式如下：

?i=φi y" " " " " " " " " "（7）

式中：φi 表示鋼結(jié)構(gòu)橋梁的各處節(jié)點(diǎn)的側(cè)移量。

1.2.6" "節(jié)點(diǎn)變形量計(jì)算

求解橋梁節(jié)點(diǎn)的極限荷載是以鋼結(jié)構(gòu)橋梁的垂直荷載值y，再利用所建立的節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性分析的傳遞向量V，求出節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)變量y-、?-，并利用節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量的轉(zhuǎn)移矩陣Vi，求出鋼結(jié)構(gòu)的各處節(jié)點(diǎn)的側(cè)移量φi ，從而得到對(duì)應(yīng)于極限荷載ymax的鋼結(jié)構(gòu)橋梁一節(jié)點(diǎn)的變形量。

1.2.7" "單柱軸壓力計(jì)算

設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)橋梁的一節(jié)點(diǎn)pi處于第i處單柱的軸壓力表示為yi=φi y，則該壓力取值表達(dá)公式如下：

（8）

式中：yμ表示鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件材料屈服時(shí)的對(duì)應(yīng)的荷載，φi代表最大屈服值，y的取值一般為[0，ye]。

1.2.8" "穩(wěn)定性檢測(cè)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)以上分析，可以得出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點(diǎn)分級(jí)荷載，鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性的檢測(cè)依據(jù)下列公式：

（9）

式中：y0代表歐拉荷載。

在實(shí)際工程中，為了節(jié)省成本和受力，橋梁通常采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，這樣既能減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，又能通過內(nèi)力再分布，將不利的跨中彎矩傳遞出去。但在墩頂負(fù)彎矩區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)橋面板會(huì)受到不同程度的拉伸，從而對(duì)橋梁節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和計(jì)算產(chǎn)生一定的影響[6]。

2" "實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1" "工程概況

此次實(shí)驗(yàn)以西藏拉薩的一處裝配式鋼結(jié)構(gòu)公路橋梁為例，該公路屬于新建川藏鐵路的重要組成部分，公路規(guī)劃中含有北線與南線兩種方案，該公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速為150km/h。該橋梁工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。橋梁結(jié)構(gòu)材料主要參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

2.2" "實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上文對(duì)工程概況的分析，本次實(shí)驗(yàn)以該橋梁工程的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)截面最大承載能力下的變形位移數(shù)值作為測(cè)試指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法，進(jìn)行變形位移監(jiān)測(cè)，其變形數(shù)值符合施工規(guī)定的變形范圍之內(nèi)。由此證明，基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法是一種高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，可以為橋梁施工提供重要的技術(shù)支持和保障。

3" "結(jié)束語

基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)方法是一種高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，可以為橋梁施工提供重要的技術(shù)支持和保障。此外通過本次檢測(cè)，也得到了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。首先，在檢測(cè)過程中需要注重細(xì)節(jié)，不能忽視任何一個(gè)可能影響節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性的因素。其次，需要更加深入地研究和掌握BIM技術(shù)，以便更好地應(yīng)用它來解決實(shí)際問題。最后，需要加強(qiáng)與各方的溝通和協(xié)作，以便更好地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。本次基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性檢測(cè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。相信，在未來的橋梁安全檢測(cè)和維護(hù)過程中，將能夠更好地應(yīng)用這些結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確保橋梁的安全使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉苒，于海波，劉俊，等.海洋鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)多層包覆防腐結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究[J].石油工程建設(shè)，2022，48（4）：52-55.

[2] 王賢強(qiáng)，楊羿，劉朵，等.基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的鋼結(jié)

構(gòu)橋梁疲勞裂紋檢測(cè)和評(píng)估[J].工業(yè)建筑，2023，53（8）：102-

106.

[3] 黃?？?U型鋼箱梁-預(yù)制混凝土橋面板-現(xiàn)澆橋面的市政

橋梁組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)措施探討[J].工程技術(shù)研究，2023，

8（14）：46-48.

[4] 李俊才，雷雨，馮春輝，等.大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁安全施工管

理及質(zhì)量控制方法[J].建筑安全，2023，38（6）：38-41.

[5] 卓旬，劉彬，徐梓豪，等.BIM技術(shù)在異形鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工

中的應(yīng)用方法研究——以白馬湖大橋?yàn)槔齕J].土木建筑工

程信息技術(shù)，2023，15（2）：68-73.

[6] 戴特奇，郭凱菲，吳俊強(qiáng)，等.西藏自治區(qū)公路建設(shè)對(duì)空間

可達(dá)性和沿線景觀破碎度的影響[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2023，

42（10）：75-78.