基于CATIA 的斜拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)

張 恒

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 引言

1.1 斜拱塔斜拉橋

隨著城市建設(shè)的發(fā)展， 標(biāo)志性的景觀橋梁已成為現(xiàn)代城市建設(shè)的重要組成部分。在城市橋梁中，斜拉橋以其纖細(xì)的結(jié)構(gòu)， 高聳的橋塔， 多變的造型成為中等跨徑(100～400 m)最常選擇的橋型之一。其中，斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋均是20 世紀(jì)90 年代左右出現(xiàn)的橋型， 絕大多數(shù)坐落于城市核心區(qū)域， 建成后均成為了城市地標(biāo)性建筑，深受建設(shè)方、設(shè)計(jì)者、使用者的青睞。

斜拱塔斜拉橋兼具斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)，其造型獨(dú)特優(yōu)美，特別適用于城市中小跨徑、跨越較寬水域的景觀橋梁。 斜拱塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系的受力更偏向于斜塔斜拉橋，拱形橋塔可以作為單獨(dú)的受力構(gòu)件，不計(jì)入體系受力分析。

1.2 CATIA 簡述

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)以其在策劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、運(yùn)營、維護(hù)的工程全生命周期中體現(xiàn)的延續(xù)性和高效性， 成為現(xiàn)代大型工程建設(shè)發(fā)展的新方向。

CATIA 是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品， 最初主要應(yīng)用于機(jī)械、汽車與航空航天等領(lǐng)域，隨著對(duì)橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)外形精度和平滑性的要求越來越高，CATIA 的空間曲面設(shè)計(jì)優(yōu)勢被越來越多的設(shè)計(jì)師認(rèn)可并逐漸應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)工作中。

2 工程實(shí)例

本項(xiàng)目為開封市東京大道跨運(yùn)糧河橋， 主橋采用斜拱塔斜拉橋，跨徑組合為(55+112+60)m,橫斷面寬為52 m；主梁采用混凝土雙主梁結(jié)構(gòu)，跨中和邊支點(diǎn)梁高3.0 m，墩頂梁高6.5 m。 總體布置見圖1。

橋塔為鋼結(jié)構(gòu)斜拱塔，主塔采用六邊形斷面，單根索塔邊跨設(shè)置3 根尾索，跨中為8 根；全橋共22 根斜拉索。

圖1 總體布置(單位：m)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)主梁

主梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁， 采用C55 混凝土。 主梁結(jié)構(gòu)邊支點(diǎn)及中跨跨中位置梁高為3.0m，中支點(diǎn)梁高為6.5m；單側(cè)橫斷面采用單箱四室形式，單側(cè)箱梁底部凈寬為18.5m；雙主梁凈距10.5m。 主梁斷面見圖2。

圖2 主梁斷面(單位：mm)

主橋預(yù)應(yīng)力鋼束腹板束采用雙排布置， 在加厚腹板位置采用雙排錨固；懸澆束在懸臂施工節(jié)段端部錨固，合攏處設(shè)置頂板束、底板束。

(2)主塔

索塔為鋼結(jié)構(gòu)斜置橋塔，其中高塔高度為70m，與豎直面傾角16°，西側(cè)較低塔高度為55m，傾角為20°；索塔截面考慮景觀效果，選用六邊形斷面，外腹板延伸出構(gòu)造兼作為裝飾結(jié)構(gòu)附著面。

(3)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主塔基礎(chǔ)與主梁基礎(chǔ)由系梁連接， 全橋基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺(tái)厚3m，樁徑1.5m。

拱座構(gòu)造與拱塔空間線型順接， 既是拱腳的錨固構(gòu)造，也是拱塔立面造型的延伸。 拱座內(nèi)預(yù)埋反力架，拱座表面應(yīng)預(yù)留立面裝飾結(jié)構(gòu)預(yù)埋件。 全橋斷面布置見圖3。

(4)裝飾結(jié)構(gòu)

本橋外立面裝飾主要設(shè)置在拱塔外腹板、主梁側(cè)面，采用厚10 mm 薄板，以及間隔80 cm 的10×100 mm 薄鋼板加勁。裝飾施工應(yīng)預(yù)先廠內(nèi)放樣裝飾隔板形狀，作為現(xiàn)場施工時(shí)裝飾外立面的定位點(diǎn)。

2.1.2 計(jì)算分析

本例采用Midas/Civil2017 程序建立梁單元模型進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 計(jì)算模型

通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析， 得到各構(gòu)件關(guān)鍵部位的最不利內(nèi)力值，見表1～3。

表1 主梁上下緣正應(yīng)力(MPa)

表2 主塔計(jì)算結(jié)果

表3 支反力匯總(MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 主梁、 主塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.2 施工方案

本橋的施工要點(diǎn)為鋼結(jié)構(gòu)橋塔施工， 考慮到開封當(dāng)?shù)匾延卸鄠€(gè)豎轉(zhuǎn)施工橋塔實(shí)例，有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，本例優(yōu)先選擇豎向轉(zhuǎn)體施工。具體的施工步驟是：在橋面或場地上設(shè)置胎架，并在拱座處設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)鉸軸，鋼結(jié)構(gòu)拱塔在工廠內(nèi)制作后分節(jié)段運(yùn)送至工地，在胎架上焊接、拼裝成型；設(shè)置提升龍門架或塔架，采用同步提升技術(shù)，將拼裝后的鋼結(jié)構(gòu)拱塔提升豎轉(zhuǎn)到位，完成主塔施工。

該施工方法大量的工作在地面或橋面平面進(jìn)行，其裝配精度、焊接質(zhì)量均能得到較好的保證，在檢測上也更具有可行性。

3 基于CATIA 的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 本橋設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析， 本橋的結(jié)構(gòu)體系相對(duì)簡單，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)本橋采用的傾斜鋼結(jié)構(gòu)拱塔，其外形及索塔內(nèi)板件、錨固構(gòu)造的設(shè)計(jì)均為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，放樣與復(fù)核的難度大，圖紙量大；(2)本橋主塔與主梁間的裝飾板外形，是全橋景觀效果成功呈現(xiàn)的關(guān)鍵，其外形的設(shè)計(jì)和比選使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件難以實(shí)現(xiàn)；(3)本項(xiàng)目的外部影響因素較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)變更可能性大。

3.2 CATIA 設(shè)計(jì)應(yīng)用

針對(duì)本例的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的AutoCAD 設(shè)計(jì)流程，會(huì)導(dǎo)致誤差過大、圖紙制作工作量和變更返工量巨大的問題；對(duì)于復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)曲面，AutoCAD 無法實(shí)現(xiàn)此類空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；而對(duì)于重大設(shè)計(jì)變更，傳統(tǒng)的低參數(shù)設(shè)計(jì)模型受到的影響無異于推翻重做，返工量過大。

基于以上原因，本例選擇應(yīng)用CATIA 軟件進(jìn)行本橋復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

3.2.1 拱塔模型的建立

建立拱塔模型的主要步驟如下：(1)定義拱塔截面及變化參數(shù)，建立引導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)脊線，通過程序的三維掃掠功能生成拱塔外形；(2)補(bǔ)充塔內(nèi)加勁肋、板件、錨固隔板等；(3)通過三維拼接完成主塔及全橋模型。 模型裝配見圖5。

3.2.2 塔內(nèi)隔板碰撞檢查

本橋的斜拱塔構(gòu)造，導(dǎo)致每根斜拉索的角度、出索點(diǎn)位置均各不相同，近主塔側(cè)的塔內(nèi)隔板的拉索角度較小，從而易產(chǎn)生與橫隔板的碰撞問題。程序建模完成后，可以通過模型中的群組選擇功能， 直觀地檢查板件碰撞情況及完成板件施工空間復(fù)核工作。 碰撞檢查示意見圖6。

CATIA 軟件更為便捷的是， 在發(fā)現(xiàn)問題后可以實(shí)時(shí)在模型中做動(dòng)態(tài)調(diào)整， 其相關(guān)性的修改內(nèi)容可自動(dòng)在三維模型中實(shí)現(xiàn)匹配更新。

3.2.3 平面圖紙生成與工程量統(tǒng)計(jì)

(1)平面圖紙的生成

當(dāng)前， 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的提交和展示仍以紙質(zhì)平面圖紙為主，如何完成CATIA 模型到設(shè)計(jì)圖紙的出品，也是設(shè)計(jì)人員需要著重考慮的問題。

本例中，利用CATIA 與AutoCAD 的交互功能，可以實(shí)現(xiàn)由CATIA 模型對(duì)任意角度平面、剖面的AutoCAD 文件生成工作， 再通過傳統(tǒng)AutoCAD 中的設(shè)計(jì)工具進(jìn)行簡單標(biāo)注和計(jì)量，完成二維圖紙的繪制。 主塔平面示意見圖7。

圖7 主塔平面示意

(2)不規(guī)則板件工程量統(tǒng)計(jì)

CATIA 的精細(xì)建模功能保證了其程序內(nèi)部統(tǒng)計(jì)板件工程量的精度， 可以作為設(shè)計(jì)人員計(jì)算工程量的復(fù)核參考。 模型工程量計(jì)算示意見圖8。

圖8 模型工程量計(jì)算示意

3.2.4 CATIA 模型與有限元計(jì)算軟件的交互

當(dāng)前的設(shè)計(jì)工作中，結(jié)構(gòu)計(jì)算需要在繪制了CAD 圖紙后，重新在分析軟件中新建計(jì)算模型，但往往由于軟件本身對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模的功能有限， 給準(zhǔn)確建模帶來了較大的困難和重復(fù)工作量。本例中，設(shè)計(jì)人員在建模時(shí)即對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致分組。模型完成后，只需對(duì)其進(jìn)行分類簡化，即可實(shí)現(xiàn)由CATIA 模型到Abaqus 的模型轉(zhuǎn)換，大大提高了建模效率。經(jīng)過與手動(dòng)建模的計(jì)算模型比對(duì)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。 Abaqus 計(jì)算模型示意見圖9。

3.2.5 裝飾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋主塔與主梁外側(cè)的裝飾鋼結(jié)構(gòu)， 是全橋景觀效果呈現(xiàn)的關(guān)鍵部位。 設(shè)計(jì)人員運(yùn)用了CATIA 軟件強(qiáng)大的空間截面控制性擬合功能，通過調(diào)整各類擬合原則，進(jìn)行了多種空間外形比較， 并在與鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行模型的對(duì)接后，結(jié)合廠家的建議，完成了主塔至主梁側(cè)空間扭面板件的合理拼接。 裝飾結(jié)構(gòu)外形擬合示意見圖10。

圖9 Abaqus 計(jì)算模型示意

圖10 裝飾結(jié)構(gòu)外形擬合示意

4 結(jié)語

4.1 小結(jié)

本文介紹了利用CATIA 軟件進(jìn)行斜拱塔斜拉橋的工程實(shí)例，完成了復(fù)雜截面的建模、碰撞校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作，解決了一些基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中較棘手的問題，為今后復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)工作拓展了思路。 主要總結(jié)如下：(1) 對(duì)于異形復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，CATIA 具有精度更高，可視化、結(jié)構(gòu)參數(shù)化率更高的優(yōu)點(diǎn)；(2)CATIA 軟件自帶的工程制圖模塊，可以將三維模型直接生成平面圖紙，并且實(shí)現(xiàn)模型與圖紙的聯(lián)動(dòng)更新，省去了傳統(tǒng)AutoCAD 設(shè)計(jì)方法在處理結(jié)構(gòu)調(diào)整和變更時(shí)帶來的巨大制圖和返工量；(3)CATIA 可以與有限元計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)， 可快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)定性分析。

4.2 展望

拱型斜塔斜拉橋在現(xiàn)代城市橋梁中， 有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造細(xì)節(jié)，還需要設(shè)計(jì)者在實(shí)踐中不斷的探索和總結(jié)。

隨著BIM 技術(shù)應(yīng)用的普及，設(shè)計(jì)師的思想需要從傳統(tǒng)的施工圖設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)變過來， 即從以結(jié)果為導(dǎo)向的傳統(tǒng)思想向以全過程為導(dǎo)向的、 邏輯性高度嚴(yán)密的程序化思想過渡。 本文基于CATIA 軟件對(duì)斜拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，如何將其更好地運(yùn)用于橋梁設(shè)計(jì)，還需更多的工程實(shí)踐來驗(yàn)證。