基于BIM正向設計的全鋼結構斜拉橋塔區錨固構造設計

周曉陵

（南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

某跨江橋梁跨徑為（50+180+500+180+50）m，為獨柱形鋼塔雙索面分體式鋼箱梁斜拉橋，效果圖及橋型布置圖分別如圖1、圖2所示。主橋鋼箱梁寬54.4m，其中兩側人非系統各4.0m，鋼箱梁高4.0m；鋼索塔高166m，自梁面以上130.7m，塔底截面尺寸為16.0m×9.5m，標準塔節段橫截面尺寸為6.0m×6.5m，下塔柱雙向曲面過渡到上塔柱。該橋斜拉索采用7mm平行鋼絲，最大索長為274.2m[1]；主墩為大型群樁承臺基礎。該橋為國內首座采用BIM技術正向設計的跨江橋梁。

圖1 跨江大橋效果圖

圖2 跨江大橋橋型布置圖（單位：m）

2 塔區錨固構造設計

2.1 斜拉橋塔區錨固構造方式

斜拉橋塔區拉索錨固形式多采用預應力式、鋼錨箱或者鋼錨梁。預應力式索塔錨固通過在塔壁上設置齒塊將拉索荷載傳至塔壁，同時通過沿塔壁設置井字形或者U形環向預應力束抵消索塔局部拉應力以防止混凝土塔壁開裂[2]。20世紀90年代，我國大跨斜拉橋基本采用預應力式索塔錨固，如南京長江二橋、潤揚長江大橋、軍山長江大橋等。鋼錨箱錨固形式通過可靠的連接將鋼錨箱和索塔固結，通過錨墊板直接承受拉索荷載并擴散至鋼錨箱再傳至塔壁。此索塔錨固形式適用于空間索面且噸位大的斜拉橋，如厄勒海峽橋、諾曼底大橋、蘇通大橋、昂船洲大橋、上海長江大橋、鄂東長江大橋、南京長江三橋等。鋼錨梁索塔錨固本身是一個相對獨立且穩定的構件，鋼錨梁將拉索荷載豎向分離傳遞至索塔，水平分力由自身平衡。上海閔浦大橋、荊岳長江大橋、舟山金塘大橋等采用了鋼錨梁索塔錨固形式。

2.2 鋼錨梁構造設計

大橋索塔采用鋼結構，全橋共設置16對斜拉索。壁板面外剛度小，為保證壁板不承擔或者少承擔拉索荷載水平分力，故除0號索塔區錨固采用鋼錨箱設計以外，其余15對斜拉索塔區錨固均為鋼錨梁形式。鋼錨梁整體布置及方位如圖3所示。該橋鋼錨梁設置在鋼索塔的中室內，鋼錨梁主要由厚薄墊板、內外腹板、底座板及底梁等主要板件構成，材料為Q345qD。其中厚薄墊板板厚分別為80mm和40mm，內外腹板板厚分別為30mm和50mm，底座板厚度為30mm。與其他斜拉橋鋼錨梁通過牛腿和壁板連接的構造不同，該項目鋼錨梁通過設置三道不等高底梁與鋼索塔縱向腹板連接，將拉索荷載豎向分力傳遞至腹板，鋼索塔腹板采用Q345qD-Z25鋼材。三道底梁高度分別為400mm、600mm和800mm，板厚均為40mm，鋼錨梁整體構造如圖4所示。為增加塔段豎向長度減少節段接縫，該項目塔段采用縱向分塊安裝，因此鋼錨梁縱向也分成兩塊，塔段分塊安裝完成后用10.9級M24螺栓將鋼錨梁塊體連接在一起。鋼錨梁底座采用一端固結一端施工期滑動成橋后固結的設計，滑動端錯開設置，固定端固結方式采用10.9級M30螺栓[1]。

圖3 索塔鋼錨梁整體布置與方位示意圖（單位：mm）

圖4 索塔鋼錨梁構造示意圖

3 BIM技術正向設計

3.1 BIM正向設計優勢

鋼錨梁的設計采用傳統方式，需要用繪圖軟件繪制每一個鋼錨梁的整體模型，然后量取每個鋼錨梁的參數，如板件角度、板單元尺寸等。對于空間索面鋼錨梁，繪制模型和采集參數則更加煩瑣也更容易出錯，同時更改模型也需要較大工作量。如采用BIM正向設計，只需建立一個鋼錨梁模型和其對應的二維圖紙，稱此模型及其二維圖紙為模板，鋼錨梁中變化的數據，包含單個鋼錨梁中自身可變的數據和鋼錨梁之間不同取值的數據，均在模板中設置為可變參數[3]。通過BIM軟件的實例化功能，得到所有鋼錨梁的模型和二維圖紙。采用BIM技術正向設計鋼錨梁，無需花大量時間建立三維模型和二維圖紙，同時模型局部調整快速方便且不會出錯。

3.2 鋼錨梁BIM正向設計

以下為鋼錨梁BIM正向設計的簡要過程。

從整體設計中獲取塔區錨點坐標和斜拉索出塔點坐標，以這兩個坐標作為輸入條件，預先設置好每個鋼錨梁的參數如板厚、整體高度、螺栓位置及其數量、手孔大小等，并設置在一張表格中。利用模板實例化其他鋼錨梁時候只需選取相應的塔區錨點和出塔點以及參數表格中相應的行，就可以得到相應的鋼錨梁模型及其二維圖紙，鋼錨梁模型及其圖紙如圖5和圖6所示。如后期需要更改單個鋼錨梁的局部數據，只需要在參數表格中更新相應數據即可。如果需要對鋼錨梁構造進行更改，則需要對模板進行更改，重新實例化其他鋼錨梁模型及其二維圖紙。

利用BIM技術正向設計得到的模型精度高，板單元大樣精確，同時可以在二維圖紙上表示出三維等軸測圖，使制造單位對鋼錨梁的構造有最直觀的了解。但是也存在由于軟件本身功能限制造成的焊縫標注不足等缺點。

圖6 索塔鋼錨梁圖紙（單位：mm）

4 鋼錨梁BIM模型與有限元計算關聯

4.1 BIM正向設計模型和有限元計算關聯流程

傳統設計中，用于局部計算的幾何模型需要單獨建立，如果板厚需要調整或結構尺寸需要變化，幾何模型就要重新建立。利用BIM技術建立了施工圖幾何模型，對于板厚的調整或者尺寸的變化只需調整相應參數，與之關聯的參數如其他板件尺寸、空間位置均自動調整。不僅節約了幾何模型的建模時間，同時保證了幾何模型的準確性。BIM模型與有限元計算模型關聯的過程如圖7所示。

圖7 鋼錨梁BIM模型與有限元計算關聯過程示意圖

4.2 鋼錨梁有限元計算

單個塔標準節段中包含兩個鋼錨梁，鋼錨梁板件數量多且集中，限于個人計算機的處理能力，無法將板與板的相交處單元進一步細化，故進一步采用子模型技術分析應力集中處。文章只給出粗模型計算結果，故應力集中點較多。此外，錨梁的整體應力水平符合要求，大部分均處于170MPa以下，內外腹板及墊梁應力云圖如圖8和圖9所示。

從圖8、圖9可以得出，除應力集中點以外，鋼錨梁應力水平在170MPa以下，應力水平滿足規范要求。

5 結論和展望

（1）利用BIM技術進行鋼錨梁的正向設計提高了設計效率和品質，為后續鋼結構尤其是空間復雜鋼結構提供了新的設計方式。

（2）將BIM正向設計的鋼錨梁模型和有限元計算結合起來是合理可行的，同時較大減少了模型重復修改的工作。

圖8 鋼錨梁內腹板（上）和上腹板（下）總體應力圖（單位：MPa）

圖9 鋼錨梁底梁應力圖（單位：MPa）

（3）BIM正向設計的幾何模型和有限元計算結合目前還是手動操作，如何自動判別計算結果的合理性并主動反饋給BIM軟件以進行針對性的調整有待研究。