CAD 和Midas/Civil 用于異形結構桿板單元混合建模設計

劉 勇，趙毓欣，張海鵬

（中交第四公路工程局有限公司第七分公司，重慶市401121）

0 引 言

在國家從制造大國邁向制造強國的大背景下，公路橋梁結構的建設亦取得了長足的發(fā)展，其中包括造型及美觀度的創(chuàng)新優(yōu)化，強調與人文自然的充分協(xié)調，以滿足人民對美好生活的向往等等。異形結構的豐富，一方面對施工單位的施工技術提出了新的要求，同時也通過工程的實施提升了企業(yè)的核心技術。

臨時結構設計驗算為專項方案的重要組成部門，通過設計驗算，優(yōu)化臨時結構方案，是從技術上確保安全質量、創(chuàng)造經(jīng)濟效益的重要課題[1]。Midas/Civil 通用的空間有限元分析軟件和CAD 繪圖軟件被廣泛應用于公路行業(yè)臨時結構設計驗算，本文即以2 項軟件的綜合運用，解決牽索掛籃底籃拱桁架桿板混合建模設計的問題，為類似臨時結構工程的優(yōu)化設計提供一種思路。

1 工程概況

某大橋為地錨式混凝土斜塔斜拉橋，該橋主梁為預應力混凝土Π 形梁，主梁單側懸臂長度170 m，采用牽索掛籃法施工。

本橋主梁頂寬29.0 m，底寬30.6 m，邊主梁處高2.5 m，懸臂節(jié)段長8.0 m，每節(jié)段前端設橫梁1道，節(jié)段方量為171.96（標準）～231.87 m3。對比現(xiàn)有可搜集的資料（見表1），該橋主梁屬于截面較大、節(jié)段較長、總重量較大的設計。不同于常見的Π 形梁邊主梁內側采用垂直式設計，本橋邊主梁內側采用了內傾式設計（見圖1）。

由于尺寸較大，使得底籃桁架跨度較大，總荷載較大，同時又因Π 形梁邊主梁采用了非常見的內傾設計，兩端部分布的荷載也較大，因而對底桁架的結構設計提出了更高的要求，具體為：

（1）主梁截面寬大（內邊凈距22.6 m，按支拱桁支點計算為27 m，已接近30 m 預制T 梁翼板標準），造成荷載大，必須合理地控制截面尺寸的承載水平，不能過于富余，需充分減輕結構自重以便施工操作。

（2）受制于Π 形梁的特點，在幾何上，桁架立面需呈現(xiàn)中間高兩側低的設計，但載荷分布呈現(xiàn)出中間低兩側高的形態(tài)，桁架端截面的承載能力要求明顯高于中部截面。

2 底籃拱桁架功能設計

（1）為提高工效，底籃采用整體提升式設計（見圖2）。4 片拱桁架橫橋向布置（見圖3），4 片拱桁拱腳位置設全通提籃梁，采用4 個穿心千斤頂進行底籃的整體提升。

（2）根據(jù)梁底截面，采用拱桁架形式，以減少底籃總組裝高度，使拱桁支點能夠固定于掛籃主承重鋼箱梁高的中部位置以提高穩(wěn)定性；同時，由于拱架端部內力較大，端部采用了鋼板進行加強，并形成了鋼箱結構；端部尺寸的加大，使得常規(guī)采用固定（槽形）導軌包拱架端部的設計變更為拱架端部（槽形設于拱桁上）包導軌的設計。

（3）拱桁架上部以受壓為主，為解決拱桁架在壓力下側向穩(wěn)定的問題，設置型鋼平聯(lián)（見圖4）。

表1 部分預應力混凝土Π 形梁斜拉橋主梁參數(shù)表

圖1 本橋主梁載面及節(jié)段分界細部（單位：cm）

圖2 整體提升式設計（單位：cm）

圖3 拱桁架橫橋向的布置（單位：cm）

圖4 型鋼平聯(lián)（單位：cm）

（4）為了便于制作，拱桁架上部主肋采用數(shù)控貼割鋼板制作，采用標準圓線型，以利于工廠加工。

（5）為便于運輸，拱桁架分節(jié)長度不大于9 m。

（6）除0#、1#、2# 塊以外，全部節(jié)段都可適用。

本項目掛籃現(xiàn)場施工示意圖見圖5。

圖5 掛籃現(xiàn)場施工示意圖

3 設計計算

為適應主梁外形，并充用利用結構和材料特點，減輕結構自重，采用拱桁結構作為主梁的承重結構。設計計算的難點在于拱架幾何尺寸確定時要充分考慮結構的預期功能；細節(jié)設計部分則要結合驗算過程進行實時調整，多次調整后取得最優(yōu)結果[2]。

3.1 主要幾何尺寸的確定

3.1.1 牽索掛籃的三維定位

牽索掛籃主體尺寸已完成設計，安裝尺寸已確定。利用CAD 軟件同步繪制俯視、橫橋、順橋3 個垂直面剖（投影）圖，即可完成對象的三維準確定位。依據(jù)拱桁布置的位置，提取到最小的拱桁尺寸包絡圖，主要細節(jié)包括：

（1）在俯視圖投影了掛籃主體結構及主梁底部邊線，其中左側陰影屬主梁標準節(jié)段（含齒板），右側則屬非標準段。主梁橫梁底部線位于掛籃主體前橫梁的后側，這是為了實現(xiàn)整體提升而采用的設計。

（2）橫橋向圖中，模擬底籃上下運動，截取了不同大小截面的包絡截面以用于拱桁架尺寸比對。

（3）順橋向圖中，確定了拱桁架的布置位置。

3.1.2 標準拱桁架尺寸的確定

由于主梁截面的變化，應當以最小的截面來確定標準拱桁的尺寸。圖6 中“澆筑標準節(jié)時安裝部分”即是將拱架分為基本件和附加件的設計方式，以適應變截面段的施工。為了便于日后附加件的安裝（焊接），基本件端部采用了水平設計。基本件端部底部設計了雙工字鋼提升梁，用于底籃整體提升及下放。拱桁端部設置加強板，以適應端部高剪力、高彎拉力的情況，對形狀進行了優(yōu)化。基本件采用3 段式設計，采用螺柱對接，最長件9 m，以便于山區(qū)運輸。

圖6 標準拱桁的設計（單位：cm）

在主要構件的定尺上，采用了3 或5 的模數(shù)倍，以利于加工及施工。拱桁間距1.8 m，各腹桿間距為120 cm。

3.2 材料選用常規(guī)型材

（1）拱桁架上壓桿為雙14# 對口槽鋼，沿主梁下緣布置。

（2）拱圈采用雙腹板工字箱型截面，拱軸線為圓弧形，以便于施工并有效減短拱桁的腹桿長度；拱圈根部位置混凝土最厚，拱圈根部外包成鋼箱結構，適應變截面段施工，并使全拱圈應力控制在相同水平。

（3）水平拉桿為雙14# 背口槽鋼，便于垂直系桿通過。

（4）水平拉桿與拱腳處采用銷接；拱架拱腳與掛籃主承重結構導軌相嵌，采用銷接固定。

3.3 建模計算要點

3.3.1 模型骨架的建立

采用CAD 與Midas/Civil 進行設計計算。主拱架設計時，根據(jù)施工要求設計拱桁外形，繪制各桿件軸線、鋼板的幾何尺寸，通過Midas/Civil 的DXF 文件導入功能形成結構模型。采用CAD 導入方法的優(yōu)勢在于不必在Midas 中逐個計算座標，能快速準確建立模型骨架，并根據(jù)試算結果及時調整方案。主要技術要點如下：

（1）拱桁桿件軸線采用DXF 文件導入，在各軸線相接處、需要計算內力的位置及連接的位置設置節(jié)點。

（2）加強鋼板輪廓導入后，可以利用網(wǎng)格工具劃分網(wǎng)格得到板單元節(jié)點，板單元節(jié)點通過剛性連接單元與拱桁拱圈桿單元節(jié)點進行連接，即可模擬兩者的連接。

（3）工字型截面先繪制DXF 文件，導入Midas SPC截面設計器進行網(wǎng)格化后再導入至Midas 即可。

3.3.2 標準截面、變截面加載

拱桁架要適用于全部分標準截面和變截面，荷載及其組合按《建筑施工模板安全技術規(guī)范》（JGJ 162—2008）要求進行加載。技術難點為異形截面混凝土荷載的加載。現(xiàn)澆段分標準截面和變截面2 種，2種工況下荷載、桁架幾何尺寸皆不同，故建模建了2套，一套是以標準段工況為基準，一套是以最不利變截面段為基準（經(jīng)計算，最不利變截面段為控制設計）。

（1）永久荷載為混凝土重G1及結構自重G2。主梁中間部分，混凝土高度一致，采用均布荷載加載；主梁兩側變截面部分，根據(jù)2 根腹桿區(qū)間面積質心位置進行分配，再通過在腹桿頂加集中荷載確定（見圖7）。質心的確定采用CAD 軟件的面域查詢功能。荷載加載示意圖見圖8、圖9。

圖7 異形載面混凝土荷載的處理（按混凝土高度進行轉換）

圖8 混凝土重（3# 段尾截面）加載于結構上（單位：kN/m）

圖9 混凝土重（標準段截面）加載于結構上（單位：kN/m）

（2）可變荷載考慮了混凝土振搗力Q。

（3）其他工況荷載分別按集中力或均布力加載，荷載值不同。

3.3.3 2 種組合應力S

（1）基本組合應力：S=0.9×1.35×（G1+G2）+0.9×1.4×0.7Q。

（2）標準組合應力：S=1.0×（G1+G2）。

（3）梁單元組合應力：Max=198MPa，Min=-193MPa；梁單元剪應力：Max=14.8 MPa，Min=-33.9 MPa；板單元Von-Mises 應力：Max=161 MPa，Min=2.1 MPa；桁架單元拉應力：Max=18.5 MPa，Min=6.9 MPa。

結果匯總顯示各應力均符合規(guī)范要求；變形符合規(guī)范要求（以上材料均采用Q235 級鋼材）。

基本組合應力見圖10。

圖10 基本組合應力（單位：MP a）

標準組合下，全橋Z向最大變形值為-3.5 cm，小于拱架跨度的l/500（2 605/500=5.21 cm），見圖11。

圖11 標準組合下的結構總變形

3.4 施工圖紙的繪制

在異形結構中，模板尺寸的計算較為困難，通過CAD 三維功能，可以提取出每個面的尺寸（見圖12），為勞業(yè)層提供準確的數(shù)據(jù)，以提高其工效。

圖12 利用CAD 的三維功能展開內模并進行模板分塊規(guī)劃

經(jīng)計算確定方案的可行性后，還需要繪制詳細的臨時結構施工圖紙及物料清單，細化局部的螺椼連接、焊接技術要求，完善計算書，完善報批手續(xù)。考慮到加工廠的技術水平，本項目圖紙基本細化至全部下料細節(jié)。

4 結 語

（1）本次設計的牽索掛籃底籃在大橋的建設中得到成功應用，該結構強度、穩(wěn)定性、變形滿足要求，組裝便捷，達到整體提升的功效，明顯減少了節(jié)段施工底模的組拼時間，提高了工效。標準節(jié)段平均施工周期控制在7 d 以內（本橋由于結構原因，采用了塔梁同步施工工藝）。

（2）通過CAD 與Midas/Civil 的有效結合，解決了Midas/Civil 幾何模型建模靈活性不足的問題，實現(xiàn)了板桿單元的混合建模。通過局部板的加強，滿足了底籃端部力學要求及功能性（形狀）需求，結構應力分布較為均衡，整體輕便美觀，達到了優(yōu)化結構重量的要求。

（3）充分應用CAD 的三維功能，可以實時快速地解決異形模板尺寸的問題（如齒板、斜交梁肋），有助于減少錯誤，提高工效。通過同步剖（投影）繪制結構物，可以準確重構三維實體的控制斷面，特別適用于三維的臨時支架工程、塔式起重機附著等工程的施工圖繪制，可以解決空間設計的碰撞問題。