橫向非對稱鋼拱橋設(shè)計及BIM 應(yīng)用

李 杰

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

本項目位于浙江省，緊鄰新建工程上游為現(xiàn)狀舊橋，舊橋建于20 世紀八十年代末期，至今已經(jīng)運營30 多年，為雙向2 車道橋梁。隨著城市發(fā)展，交通流劇增，舊橋所在路段經(jīng)常發(fā)生擁堵。為了解決城市核心區(qū)過江交通擁堵問題，擬在現(xiàn)狀舊橋下游新建半幅橋梁，即本項目的新建橋梁工程（如圖1 所示）。

圖1 項目效果圖

新建橋梁采用跨徑為176 m 的下承式鋼箱拱橋，拱高50 m 左右，橋面寬度22.5～23.1 m。縱橋向支座間距170 m，橫橋向支座間距為18 m。主拱為八邊形鋼箱拱，拱腳斷面尺寸4.5 m（高）×2.2 m（寬），拱頂斷面尺寸為2.5 m（高）×2.2 m（寬），拱軸線為1.7 次拋物線。主梁采用分離式雙箱系梁形式，系梁標準段斷面尺寸為2.5 m（高）×2 m（寬）。全橋共26 對吊索，吊桿下錨點間距為6 m，上錨點間距4 m。橋梁總體布置如圖2、圖3 所示。

圖2 主橋立面圖（單位：m）

圖3 主橋斷面圖（單位：m）

2 設(shè)計流程

設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 設(shè)計流程圖

3 橋梁體系設(shè)計

本橋為新建半幅橋梁，遠期上游舊橋拆除后建設(shè)另外半幅橋梁。新建橋梁單側(cè)設(shè)置人行通道，通過懸挑的形式與主梁相連，作為景觀慢行系統(tǒng)方便行人從橋頭下方上橋。懸挑人行道的設(shè)置使得主橋為橫向非對稱結(jié)構(gòu)。另外疊加主拱線型、吊桿布置間距和橋梁整體造型等因素，使得本橋結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，同類型橋梁設(shè)計案例非常少，需要進行開創(chuàng)性的特殊設(shè)計。主橋計算模型如圖5 所示。

圖5 主橋計算模型

3.1 鋼拱橫偏設(shè)計

由于懸挑人行道的存在，橋面系承受的恒載和活載在橫橋向非對稱，導(dǎo)致主拱必須在橫向進行非對稱布置才能使整體結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)。分別將主拱設(shè)置成橫偏0 m（對稱布置）、1 m、2 m、4 m、6 m、7.562 5 m（內(nèi)拱豎直）六種情況進行分析，如圖6 所示。

圖6 主拱橫偏距離（對稱布置→內(nèi)拱豎直）

（1）反力對比

本橋采用外部靜定結(jié)構(gòu)體系，邊界條件約束方式見圖7。1 號為固定支座，2 號、4 號為單向活動支座，3 號為雙向活動支座。其中1-4 側(cè)為懸挑人行道側(cè)，即外側(cè)。支座布置如圖7 所示。

圖7 邊界約束條件

支座反力計算結(jié)果見表1、表2。

表1 恒載作用下各支座反力統(tǒng)計

表2 標準組合作用下各支座反力統(tǒng)計

支座選取時最大反力為21 263×1.1=23 389 kN，因此選取25 MN 的支座型號。支座水平承載力選取20%，即5 000 kN，大概可以適用橫偏3 m 范圍內(nèi)的方案。

（2）變形對比

根據(jù)計算結(jié)果，恒載作用下關(guān)鍵位置處位移見表3。

表3 恒載作用下關(guān)鍵位置處的位移統(tǒng)計

隨著橫偏值增大，拱頂位置處橫向往外側(cè)位移值逐漸減小，主拱1/4 位置處在橫偏1～2 m 時會反凸，系梁跨中位置處內(nèi)凸值越來越大。綜合考慮，主拱在橫偏1～2 m 時，主要位移指標是較優(yōu)的取值范圍。

（3）應(yīng)力趨勢對比

根據(jù)計算結(jié)果，恒載作用下關(guān)鍵位置處應(yīng)力見表4、表5。

表4 恒載作用下關(guān)鍵位置處的應(yīng)力統(tǒng)計 單位：MP a

表5 基本組合作用下關(guān)鍵位置處的應(yīng)力統(tǒng)計 單位：MP a

隨著橫偏值的增大，左右系梁的應(yīng)力差越來越大，左右主拱的應(yīng)力差越來越小。綜合考慮，兼顧主拱和系梁的受力，橫偏1～2 m 是較優(yōu)的方案。

（4）小結(jié)

綜合考慮上述三個方面，經(jīng)過詳細設(shè)計，本橋主拱最終采用橫偏2 m 的設(shè)計方案。

3.2 橋面體系設(shè)計

目前鋼拱橋橋面系一般有兩種體系：組合橋面板和鋼橋面板。此兩種體系在一般鋼拱橋中各有優(yōu)劣，對比表見表6。

表6 兩種體系優(yōu)劣對比

但是本橋為非對稱結(jié)構(gòu)，該特殊性導(dǎo)致施工過程中主要結(jié)構(gòu)受力會有比較大的不同。

（1）組合橋面板體系

組合橋面板體系的施工步驟如下：

搭設(shè)少支墩支架→吊裝系梁節(jié)段、橫梁節(jié)段和小縱梁節(jié)段，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)→拱圈轉(zhuǎn)體施工→安裝預(yù)制橋面板，第一次張拉吊桿→拆除橋下支架→澆筑橋面板濕接縫，施工鋪裝層→安裝欄桿等，第二次張拉吊桿→成橋通車。

組合橋面板系桿拱橋為了減小混凝土橋面板內(nèi)的軸力，一般在施工時吊桿張拉先于混凝土橋面板形成整體，這樣系梁不能形成整體協(xié)同受力體系，會導(dǎo)致系梁產(chǎn)生橫向彎曲，進而造成內(nèi)外側(cè)系梁應(yīng)力沿縱向分布非常不均，如圖8 所示。

圖8 吊桿張拉后系梁橫向應(yīng)力圖（單位：MP a）

由圖8 可以看出，系梁在吊桿橫向水平分力的拖拽下，系梁端部應(yīng)力為190 MPa，跨中應(yīng)力為-75 MPa，應(yīng)力分布非常不均。這是由于吊桿張拉時，橋面板還未施工，橋面系統(tǒng)在橫向還未形成整體，非對稱結(jié)構(gòu)下吊桿存在水平分力，造成系梁橫向彎曲。

（2）鋼橋面板體系

鋼橋面板體系施工步驟：

搭設(shè)少支墩支架→吊裝系梁、橫梁、橋面板等形成整體→拱圈轉(zhuǎn)體施工→安裝并張拉吊桿→施工橋面系附屬→第二次張拉吊桿→成橋通車。

鋼橋面系方案的施工步驟有別于組合橋面板方案之處在于，張拉吊桿前橋面系已經(jīng)形成一個整體，其橫向剛度比較大，左右兩個系梁、橋面板和橫梁可以整體承受吊桿張拉產(chǎn)生的水平分力，此時系梁橫向應(yīng)力如圖9 所示。

圖9 吊桿張拉后系梁橫向應(yīng)力圖（單位：MP a）

由圖9 可以看出，系梁在吊桿水平分力的拖拽下，橫向應(yīng)力較小，只有12 MPa 左右。且根據(jù)系梁橫向應(yīng)力圖可知，系梁應(yīng)力基本上處于均勻的鋸齒狀，說明鋼橋面板整體剛度可以有效抵抗吊桿的水平分力作用。

（3）小結(jié)

通過上述兩種體系的對比，結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)及受力的特殊性，橋面體系選擇采用鋼橋面板體系。

3.3 吊桿布置及拱軸線設(shè)計

本橋由于景觀造型需要，主拱拱軸線和吊桿布置較為特殊，分別從這兩方面考慮對結(jié)構(gòu)受力的影響。

由于吊桿下吊點為橫梁位置處，橫梁為3 m，下吊點間距為6 m，因此僅對上吊點的間距按照不同設(shè)置距離和拱軸線線性匹配進行受力分析，結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 吊桿上吊點間距與主拱最大應(yīng)力的關(guān)系

圖11 拱軸線拋物線次數(shù)與主拱最大應(yīng)力的關(guān)系

由圖10、圖11 可以看出，上吊點間距為4.8 m左右且拋物線次數(shù)越低時，主拱最大應(yīng)力較小。但是隨著拋物線次數(shù)降低，拱腳處主拱和主梁夾角會越來越小，不利于主拱軸向力傳導(dǎo)。因此本橋采用上吊點間距4.8 m，拱軸線為1.8 次拋物線的方案。

4 BIM 協(xié)同設(shè)計

本橋有主拱為八邊形斷面、半幅橋橫向單坡、橫向非對稱、空間吊桿布置等特點，關(guān)鍵節(jié)點處的傳統(tǒng)二維設(shè)計不能準確定位板件位置，采用BIM 技術(shù)的三維可視化、參數(shù)化、模擬性輔助復(fù)雜節(jié)點的設(shè)計。本項目采用Rhino（犀牛）軟件建立全橋三維模型，并重點對拱腳、懸挑人行道、風(fēng)撐等復(fù)雜構(gòu)件設(shè)計進行介紹。主橋三維模型如圖12 所示。

圖12 主橋Rhino 三維參數(shù)化模型

4.1 拱腳設(shè)計

（1）方案選型

本橋拱腳包括拱梁結(jié)合點區(qū)域和拱墩結(jié)合區(qū)域，主拱在橋面位置斷開，橋面以上部分與系梁形成下承式鋼拱橋，橋面以下部分與橋墩固結(jié)，并且沿懸挑人行道外側(cè)布置。全橋爆炸圖如圖13 所示。

圖13 主橋組成構(gòu)造分解

主拱在拱腳位置發(fā)生空間扭曲，構(gòu)造非常復(fù)雜。利用Rhino 強大的NURBS 曲線功能，建立拱腳空間模型，清晰地展示拱腳位置拱結(jié)構(gòu)和橋墩的沖突融合情況（見圖14），用于方案優(yōu)化。根據(jù)行人角度視覺效果最終選擇圖14（a）所示的方案一。

圖14 拱墩結(jié)合區(qū)域融合方案展示

當確定方案后，從Rhino 導(dǎo)出拱墩結(jié)合區(qū)構(gòu)造dxf 格式文件，輔助設(shè)計人員進行二維圖紙的繪制，如圖15 所示。

圖15 拱墩結(jié)合區(qū)Rhino 導(dǎo)出圖

（2）拱腳構(gòu)造設(shè)計

主拱為八邊形斷面，系梁為矩形斷面。在拱腳位置處，主拱在系梁頂板處斷開，主拱板件采用熔透焊的方式與系梁頂板相接。在焊接位置處，系梁內(nèi)部設(shè)置豎向支撐板，從頂板貫穿至底板，主拱軸力分別轉(zhuǎn)換為系梁拉力和支座反力。由于拱腳內(nèi)主板和加勁板設(shè)置非常復(fù)雜，建立全板件的拱腳三維模型。通過三維剖圖方式得到準確的二維構(gòu)造圖，設(shè)計人員補充標注后即可生成可交付的圖紙，如圖16 所示。

圖16 拱梁結(jié)合段三維圖及Rhino 導(dǎo)出圖

（3）拱腳受力分析

通過三維模型進行ANSYS 局部受力分析，計算得到的拱腳區(qū)域整體Mises 應(yīng)力如圖17 所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，整個拱梁結(jié)合段的Mises 應(yīng)力基本都在200 MPa 以下。

圖17 拱腳整體Mises 應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4.2 懸挑人行道設(shè)計

（1）構(gòu)造設(shè)計

懸挑人行道從河堤橋墩內(nèi)側(cè)延伸至橋面人行道外側(cè)，走向為三維空間線位。支撐懸挑人行道的構(gòu)造設(shè)計采用工字鋼與系梁焊接，間隔與系梁間的橫梁保持一致，為3.6 m。工字鋼之間采用鋼管相連，形成框架體系，以承受沿懸挑人行道縱向的偏位。最終形成的懸挑人行道效果圖如圖18 所示。

圖18 懸挑人行道效果圖

（2）凈空復(fù)核

本項目人行道凈空標準為2.5 m，采用模型的三維可視化，將懸挑人行道面板抬升2.5 m，形成人行凈空控制范圍，可以直觀檢查懸挑人行道凈空設(shè)計是否滿足要求，如圖19 所示。

圖19 懸挑人行凈空復(fù)核

4.3 風(fēng)撐設(shè)計

在滿足受力的前提下，為了使得風(fēng)撐設(shè)計視覺效果達到最優(yōu)，采用Rhino 構(gòu)建不同的風(fēng)撐設(shè)計模型，進行設(shè)計方案比選。

方案一采用鋼拱80 m 范圍內(nèi)鋼板連接的方式，如圖20 所示；方案二是在方案一的基礎(chǔ)上進行了鏤空處理，如圖21 所示。

圖20 風(fēng)撐設(shè)計方案一

圖21 風(fēng)撐設(shè)計方案二

通過比選，兩種方案鋼拱受力相差不大，方案二更顯輕巧，視覺效果更優(yōu)，因此本項目設(shè)計最終采用方案二。

5 結(jié)語

隨著交通行業(yè)的發(fā)展，越來越多橋梁設(shè)計方案采用了跨徑大、復(fù)雜程度高的橋梁。傳統(tǒng)的二維設(shè)計手段在此類橋梁中已逐漸力不從心。BIM 技術(shù)在復(fù)雜橋梁設(shè)計中具備非常大的優(yōu)勢和價值，利用三維模型可以表達傳統(tǒng)二維設(shè)計無法傳遞的信息，更直觀、更快捷。本文對BIM 技術(shù)的三維可視化和參數(shù)化進行了重點應(yīng)用，BIM 技術(shù)更重要的作用是使工程項目信息在規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營維護過程的充分共享、無損傳遞。隨著BIM 技術(shù)發(fā)展越來越成熟，未來將在項目全生命期內(nèi)發(fā)揮越來越大的作用。