基于BIM的鋼管混凝土拱橋三維設(shè)計(jì)與穩(wěn)定分析

龍 波，凌塑奇，梁若洲

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

鋼管混凝土拱橋是指用拱形鋼管或以鋼管為弦桿組成拱桁，并在鋼管內(nèi)灌注混凝土而形成拱圈的橋梁[1]。根據(jù)鋼管在結(jié)構(gòu)中參與受力方式的不同，可分為普通鋼管混凝土拱橋與勁性骨架鋼管混凝土拱橋[2]。鋼管混凝土拱橋主要構(gòu)造是由鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，由鋼管與混凝土兩種組成材料相互作用，在克服材料缺點(diǎn)的同時(shí)也使得各自的優(yōu)點(diǎn)得到充分的發(fā)揮[2]。因此，與其他橋型相比，鋼管混凝土拱橋主要有以下幾個(gè)特質(zhì)：(1)與鋼拱比，受力性能好、施工方便、綜合造價(jià)低；(2)與索支承橋比，剛度大、適應(yīng)地形能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好；(3)溫度敏感性低，適合于高鐵；(4)抗風(fēng)抗震性能好[1]。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土拱橋得到越來越廣泛的應(yīng)用。

本文以廣西來賓西過境線公路紅水河特大橋?yàn)楸尘?，利用BIM技術(shù)的可視化及參數(shù)化特點(diǎn)，研究基于BIM的鋼管混凝土拱橋三維設(shè)計(jì)方法，以期改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率低、表達(dá)不清等問題，為同類拱橋設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

紅水河大橋主橋?yàn)橛?jì)算跨徑340 m中承式鋼管混凝土拱橋，矢跨比為1/4.50，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.5。拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，共兩片拱肋，主拱橫橋向中心間距為29.4 m。單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面徑向高7 m，拱腳截面徑向高12 m，肋寬3.2 m。橋型總體布置如圖1所示。

圖1 橋型布置示意圖(cm)

2 基于BIM的橋梁三維設(shè)計(jì)

2.1 橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

將結(jié)構(gòu)簡化成平面，運(yùn)用二維三視圖繪制工程圖紙是目前橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)普遍采用的交付手段[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁朝著大跨、復(fù)雜、高強(qiáng)、輕質(zhì)的方向發(fā)展。當(dāng)面對構(gòu)造功能愈發(fā)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，二維設(shè)計(jì)方式顯得力不從心，在設(shè)計(jì)過程中往往不易發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)在空間中的布局存在不合理的地方。因此，隨著BIM技術(shù)和軟件的不斷成熟，橋梁行業(yè)的設(shè)計(jì)手段由二維過渡到三維是必然的趨勢。

2.2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)模式相比，基于BIM的橋梁三維設(shè)計(jì)在流程和方法上都有較大的變化，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)由線條繪圖向構(gòu)件化布置轉(zhuǎn)變；(2)由幾何表達(dá)向信息模型集成的轉(zhuǎn)變；(3)由各專業(yè)分散單獨(dú)完成向項(xiàng)目級的各專業(yè)上下游協(xié)同作業(yè)轉(zhuǎn)變；(4)由離散分階段設(shè)計(jì)向全過程整體設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變；(5)由單一成果交付向全生命周期支持的轉(zhuǎn)變?；谝陨戏N種優(yōu)勢，對于大跨、造型復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，更能將以往不易發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)盲點(diǎn)找出來，減少施工過程中的設(shè)計(jì)變更，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

3 項(xiàng)目應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)

對于大跨度鋼管混凝土拱橋，其拱座基礎(chǔ)、主拱肋、鋼構(gòu)格梁及局部附屬結(jié)構(gòu)都是比較復(fù)雜的，對施工技術(shù)的要求也是極高的。為了更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路，提高設(shè)計(jì)成果的可讀性和增加對施工的指導(dǎo)作用，利用BIM技術(shù)對橋梁的局部和復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)是一種趨勢。

基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，本項(xiàng)目采用Bentley的MicroStation平臺進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。如圖2～5所示，三維設(shè)計(jì)極大地改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成果可視化程度不高的缺點(diǎn)，也更有利于設(shè)計(jì)者進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的效率和質(zhì)量，同時(shí)能更好地指導(dǎo)實(shí)際施工。

3.2 三維設(shè)計(jì)成果的表現(xiàn)方式

傳統(tǒng)采用平、立、剖二維三視圖的設(shè)計(jì)成果表達(dá)方式，存在專業(yè)性強(qiáng)、門檻高、線條布置錯(cuò)綜復(fù)雜、可讀性差等一系列缺點(diǎn)，因此，更能體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)本質(zhì)的設(shè)計(jì)成果表達(dá)與交付方式是三維設(shè)計(jì)能否產(chǎn)生巨大效益的關(guān)鍵之一。

圖2 主拱肋三維設(shè)計(jì)圖

圖3 鋼構(gòu)格梁三維設(shè)計(jì)圖

圖4 拱上立柱三維設(shè)計(jì)圖

圖5 主拱拱腳構(gòu)造三維設(shè)計(jì)圖

3.3 基于三維設(shè)計(jì)的橫撐布置方案

常規(guī)的鋼管混凝土拱橋橫撐結(jié)構(gòu)形式主要有I形、K形、X形橫撐及I+△的組合橫撐等。I形撐具有施工穩(wěn)定性好，與主拱弦管連接節(jié)點(diǎn)少的優(yōu)點(diǎn)，但其可提供給主拱圈的橫向剛度較小，一般在小跨徑鋼管混凝土拱橋中應(yīng)用較多。K形撐和X撐的穩(wěn)定性和動(dòng)力性都比較好，但施工過程中需要采取一定的輔助措施，在大跨徑鋼管混凝土拱橋中采用較多。

圖6 I+△組合橫撐立面與平面布置示意圖(cm)

圖7 K橫撐立面與平面布置示意圖(cm)

基于三維設(shè)計(jì)技術(shù)的可視化特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中考慮橫撐對主拱結(jié)構(gòu)橫向剛度的貢獻(xiàn)以及對景觀視野的效果等因素，本項(xiàng)目對I+△組合撐和K撐布置形式進(jìn)行了對比，如圖6、圖7所示。由圖8可知，由于三維設(shè)計(jì)成果的可視化特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段就可以較好地考慮結(jié)構(gòu)的空間布局效果，在滿足結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)，有利于提高橋梁的景觀效果。

圖8 不同橫撐布置景觀效果對比圖

4 拱橋的穩(wěn)定分析

4.1 拱橋穩(wěn)定的分類

拱橋的穩(wěn)定從形態(tài)上分為面內(nèi)失穩(wěn)、面外失穩(wěn)[4]；根據(jù)失穩(wěn)時(shí)的平衡狀態(tài)又可分為分支點(diǎn)失穩(wěn)、極值點(diǎn)失穩(wěn)；根據(jù)是否考慮材料非線性和幾何非線性又可分為線性穩(wěn)定和非線性穩(wěn)定[5]。在工程設(shè)計(jì)中，習(xí)慣于把線性穩(wěn)定稱為一類穩(wěn)定問題或彈性穩(wěn)定問題；考慮幾何及材料的非線性稱為二類穩(wěn)定問題或者雙非線性穩(wěn)定。

4.2 一類穩(wěn)定分析

根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，主拱的整體彈性穩(wěn)定系數(shù)≥4.0。利用Midas軟件分別對I+△組合橫和K撐的方案進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，其結(jié)果分別為6.362、6.435，皆>4.0，滿足規(guī)范要求(見圖9)。

圖9 主拱彈性穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果云圖

根據(jù)主拱失穩(wěn)的模態(tài)可以看出，主拱整體彈性失穩(wěn)時(shí)的薄弱點(diǎn)皆為主拱無橫撐弦管段。因此，橫撐的合理設(shè)置對主拱的結(jié)構(gòu)安全起到尤為重要的作用。

4.3 基于BIM的二類穩(wěn)定分析

根據(jù)考慮幾何和材料非線性方法的不同，二類穩(wěn)定計(jì)算主要分為以下幾種：(1)統(tǒng)一理論法，即將主弦管單元材料定位為鋼管混凝土組合材料本構(gòu)關(guān)系模型進(jìn)行穩(wěn)定分析；(2)雙單元法，即將主弦管的鋼管單元和混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)，兩單元分別定義截面和材料特性來進(jìn)行穩(wěn)定分析；(3)組合截面法，即自定義主弦管單元截面，外層鋼管賦予鋼材理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型，內(nèi)部混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。

三種計(jì)算方法的結(jié)果差異較大。統(tǒng)一理論所采用的本構(gòu)關(guān)系是鋼管混凝土軸心受壓本構(gòu)關(guān)系模型，而主拱的實(shí)際受力為壓彎扭剪復(fù)雜狀態(tài)。而雙單元和組合截面法兩者的結(jié)果較為接近，是因?yàn)槠涫芰δM較為接近主拱的實(shí)際模式，兩者的分析結(jié)果也接近，較為可信[5]。本文中將采用組合截面法進(jìn)行主拱的二維穩(wěn)定性分析。

本項(xiàng)目通過Bentley的MS平臺建立了主橋整體三維模型，如圖10所示。利用MS平臺兼容性的特點(diǎn)，可以將主拱的整體三維模型導(dǎo)入到Abaqus軟件中進(jìn)行二類穩(wěn)定分析。本文首先對K撐方案進(jìn)行二類穩(wěn)定分析。

圖10 主拱整體三維模型圖

圖11 主拱Abaqus有限元模型及邊界示意圖

如圖11所示，主拱Abaqus模型中包含216 206個(gè)節(jié)點(diǎn)，177 042個(gè)單元，其中三維梁單元(B31)2 962個(gè)、實(shí)體單元(C3D8R)108 800個(gè)、殼單元(S4R)65 280個(gè)。模型的邊界條件為拱腳固結(jié)，鋼管與混凝土界面法線方向的接觸采用硬接觸，即垂直于接觸面的壓力可以完全地在界面間傳遞，并且接觸后允許分離。界面切線方向的接觸采用庫侖摩擦模型，即界面可以傳遞剪應(yīng)力直到剪應(yīng)力達(dá)到臨界值。

考慮兩種工況進(jìn)行分析：

(1)成橋+滿布車載+十年橫風(fēng)，包括自重、成橋階段的吊桿力與立柱處的豎向反力、滿布車載工況下的吊桿力與立柱反力、十年橫風(fēng)工況施加于弦管與腹桿上的荷載。

(2)成橋+百年橫風(fēng)，包括自重、成橋階段的吊桿力與立柱處的豎向反力、百年橫風(fēng)工況施加于弦管與腹桿上的荷載。

圖12 主拱第一階失穩(wěn)模態(tài)云圖

圖13 位移-穩(wěn)定系數(shù)曲線圖

由圖12可知，主拱二類第一階失穩(wěn)模態(tài)與一類失穩(wěn)類似，皆發(fā)生在主拱無橫撐弦管段。同時(shí)，由圖13可知：(1)成橋+滿布車載+十年橫風(fēng)工況，荷載增加至原荷載1.68倍時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形；荷載增加至原荷載1.76倍時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)大幅減小，結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到極限承載能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為1.76；(2)成橋+百年橫風(fēng)工況，荷載增加至原荷載1.25倍時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形；荷載增加至原荷載1.49倍時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)大幅度減小，結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到極限承載能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為1.49。

根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG-T D65-06-2015)的規(guī)定，主拱的整體二類穩(wěn)定系數(shù)≥1.75，即百年風(fēng)工況下，主拱的二類穩(wěn)定結(jié)果不滿足要求。從失穩(wěn)模態(tài)上可知，要提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對接近橋面處附近的橫撐布置進(jìn)行加強(qiáng)。

因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對主拱橫撐的布置有針對性地加強(qiáng)。

圖14 加強(qiáng)后主拱第一階失穩(wěn)模態(tài)云圖

圖15 加強(qiáng)橫撐后的位移-穩(wěn)定系數(shù)曲線圖

如圖14和圖15所示，對橫撐結(jié)構(gòu)有針對性地加強(qiáng)后，主拱的二類穩(wěn)定結(jié)果有明顯的改善，成橋+滿布車載+十年橫風(fēng)工況下，二類穩(wěn)定系數(shù)為2.29；成橋+百年橫風(fēng)工況下，二類穩(wěn)定系數(shù)為2.19，均滿足規(guī)范要求。

圖16 橫撐加強(qiáng)方案行車視角圖

表1 不同橫撐加強(qiáng)后二類穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對比表

通過對I+△組合撐的二類穩(wěn)定計(jì)算亦可得到相同的結(jié)果，限于篇幅，本文不再贅述。此外，結(jié)合I+△組合撐和K撐兩種方案加強(qiáng)后的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(見表1)和行車視角(圖16)的通透性效果考慮，本項(xiàng)目最終選擇K撐方案。

5 結(jié)語

本文以鋼管混凝土拱橋?yàn)閷ο?，研究三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以克服和改善傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在空間結(jié)構(gòu)布置及成果表達(dá)等方面的不足，有效地提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)成果的可讀性，增加對施工的指導(dǎo)作用。此外，基于主拱BIM模型，對結(jié)構(gòu)的二類穩(wěn)定進(jìn)行分析，通過有針對性地加強(qiáng)，并借助BIM的可視化特性，最終選擇既滿足結(jié)構(gòu)受力又滿足視野通透要求的K撐方案。