Solid Works設計軟件在平口資水大橋雙壁鋼吊箱圍堰設計及施工中的應用

李震，王亞雄

（保利長大工程有限公司，廣州 510000）

1 引言

雙壁鋼圍堰相對于單壁鋼具有結構剛度大、整體強度高、用鋼量大、結構設計復雜的特點，能承受深水壓強。不需要設置圍檁，內支撐可以直接撐在內壁上，可分塊設計、加工。傳統施工單位在圍堰設計過程中通常使用AutoCAD進行平面圖形的繪制，不便于直觀展現立體的、復雜的圍堰結構，且AutoCAD的3D繪圖功能的局限性太大。由達索公司（Dassault Systemes）旗下子公司出品的Solid Works是服務于機械設計的輔助設計軟件，該軟件有針對型鋼加工的設計模塊和零件組拼的裝配體模塊，在設計過程中可以方便地調整設計參數，十分適合對圍堰焊接結構設計與優化。因此，擬在平口資水大橋雙壁鋼吊箱圍堰設計和施工中引入Solid Works軟件進行深化設計、模擬施工，在施工前做好充足的技術準備，擬訂效率最高、最經濟的圍堰加工和施工方案，推動同類型乃至工程類各項臨時鋼結構的設計、施工技術的進步。

2 工程概況

官新高速11標平口資水大橋，主橋采用三柱四跨的連續剛構單箱單室預應力鋼筋混凝土箱梁結構，全橋總長度為839 m，左右幅分離式設置，剛構橋跨布置為56 m+（90 m）×2+56 m，主橋承臺為立方體鋼筋混凝土結構，順橋向長8.5 m，橫橋向寬12.6 m，高3.2 m，每個承臺由3×2根直徑2 m的混凝土樁基礎支撐，其中9#、10#墩在同一平面位置，承臺頂標高為150 m，承臺底比河床高1 m左右，因此，9#、10#墩左右幅共4個承臺采用“先樁后圍”的施工方案，設置4個雙壁鋼吊箱圍堰進行輔助施工。

平口資水大橋位于湖南省益陽市安化縣柘溪水庫之中，水庫庫容量達35.4億m3，橋址距柘溪大壩上游約70 km左右，同時地處湖南省婁底市新化縣龍灣濕地公園內，該濕地公園屬于國家級重點水資源保護區。受限于水壩攔截，該水域無法駛入重型起重船舶。資水為湖南四大河流之一，洪峰通常是每年6月初到來，水庫為應對每年的洪峰，會在2月份開始開閘放水騰庫容，在3月份降至最低149 m左右，直到6月洪峰到來前，水庫水位會維持在+156 m以下，一旦汛期到來，暴雨集中，雨水匯集，水位會迅速暴漲至166 m左右。

3 雙壁鋼吊箱結構優化設計

雙壁鋼吊箱圍堰的主要結構組成有：圍堰底板、圍堰側板和內支撐，外側水壓傳遞順序由外側板傳導至內支撐，浮力由底板傳遞至鋼護筒。其中，圍堰底板由底板龍骨、底板面板和底板加勁肋組成；圍堰側板由前后面板、縱橫加勁肋和斜撐組成。圍堰內側板除了與外側板共同擋水還要承擔承臺模板的功能。圍堰設計總高度為21.9 m，深度較大，底部承受水壓力巨大，因此，在側板內設置豎向加勁肋以加強圍堰側板的豎向剛度。為提高空心側板的剛度，每隔4~5 m設置一條加勁肋，內支撐受力支撐點均設計在加勁肋上。內支撐為φ630 mm×10 mm螺旋鋼管，通過3拼I45型鋼分配梁組合在一起[1]。

外側水壓荷載的傳遞順序為側板→加勁肋→分配梁→內支撐，由于水壓力從上至下逐漸遞增，因此側板結構設計從上至下由弱到強，從第5層單壁側板，至第1層的雙壁側板，內部加勁肋由疏至密，避免了上下一致的結構造成的材料浪費，同時也保證了荷載傳遞的最優化，平均分攤了結構應力。

4 Sol i dWor ks模型建立

圍堰初步擬定好尺寸、材料后，根據初步設計利用Solid Works建立焊件零件。圍堰零件結構應按現場加工制作流程拆分成零部件，拆分過程中應充分考慮場地條件、運輸條件和吊裝條件。在最大化利用場地設備的運轉能力前提下，盡量減少分塊數量，以達到加工質量和場地設備周轉的最優化。分塊零件設計完成后，通過Solid Works裝配體模塊將各個零件配合組裝，模擬安裝順序和檢查構件碰撞，綜合比對選出效率最高和經濟最為合理的圍堰加工及安裝方案。

4.1 焊件零件建模

Solid Works中，焊件是指含有多個實體的特殊零件模型，同時焊件庫內包括了國標型鋼可直接調用。焊件完成設計后可以分解為切割清單，自動生成材料尺寸、數量清單，指導原材料下料，減少不必要的下料浪費，提高經濟效益。

最終根據加工場地和轉運設備確定每個焊件零件為一個加工單元，每層側板分3種A、B、C側板和加勁肋，最大尺寸為4.3 m×5.6 m，最大質量為4.2 t。該分塊模式便于加工廠進行標準化加工。

4.2 裝配體模擬安裝

Solid Works中裝配體模塊可將不同的零件體通過約束條件組裝到一起，模擬圍堰構件安裝的過程。裝配體調整好后進行零配件干涉檢查，干涉檢查可排查圍堰構件在安裝過程中可能發生的碰撞問題，根據干涉檢查的結果分析可以判斷該結構設計在實際施工過程中是否會發生阻擋、碰撞等問題[2]。通過裝配體配合過程，可以模擬現場吊裝施工過程，確認起吊重量是否在吊車的安全工作曲線范圍內。完成組裝的裝配體文件可另存為STL文件，該格式文件可導入3Dmax等動畫制作軟件，直接依據模型渲染出現場施工效果圖，施工渲染圖如圖1所示。

圖1 吊裝模擬

5 深化圍堰設計

通過Solid Works建模初步擬定了圍堰尺寸和切割清單后，將圍堰底板、側板、內支撐以及封底模型導入有限元分析計算軟件Midas civil中，設定圍堰吊裝、封底混凝土灌注、封底后抽水施工和承臺施工4種受力工況。分別需要加載的荷載有：圍堰自重、封底混凝土質量、浮力、流水壓力。通過對有限元模型受力情況的分析，進一步調整結構中加勁肋角鋼的規格、間距，在受力較小位置降低加勁強度，在應力集中的位置，優化結構形狀，加強補強型鋼。通過浮力平衡計算可得出封底混凝土最小厚度為1.837 m，考慮到水下護筒外表難以保證完全潔凈，且由于封底混凝土為水下灌注，難以保證整個混凝土均勻、密實和等高。因此將封底混凝土厚度調整為2.2 m。根據圍堰吊裝工況地板龍骨的受力情況，綜合現場測量所得的護筒傾斜情況，優化了底板龍骨下放吊點斜撐的位置[3]。

根據側板加勁肋在不同水深的受力情況，優化了加勁肋角鋼的布置：第1段3.6 m為單壁側板，加勁肋為H400型鋼，間距1 200 mm布置；第2段3.6 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距1 200 mm布置；第3段3 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距1 000 mm布置；第4段1.6 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×12 mm，間距800 mm布置；第5段3.5 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×14 mm，間距700 mm布置；第6段1.6 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×14 mm，間距800 mm布置；第7段3.6 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×16 mm，間距600 mm布置；第8段2.0 m雙壁側板，加勁肋為L200 mm×125 mm×16 mm，間距1 000 mm布置；通過有限元受力分析優化結構，改變了圍堰從上至下一刀切的結構設計思路，針對不同受力環境采取不同強度的結構設計和材料，在節約成本的同時保證了結構強度、剛度和穩定性。

6 工程實踐

平口資水大橋雙壁鋼圍堰從設計到施工過程中采用Solid Works對雙壁鋼吊箱圍堰進行設計、施工全過程模擬，經過有限元分析軟件Midas civil優化設計后，結合3Dmax動畫軟件進行動態演練，將鋼吊箱圍堰施工過程進行可視化轉換。最終通過方案比選選擇其中最為經濟合理、安全可靠的施工方案。確定好方案后，通過模型、動畫對現場施工技術人員進行交底，使得施工技術人員能直觀地了解圍堰加工、施工過程。以上方案成功應用于平口資水大橋9#、10#主墩雙壁鋼吊箱圍堰施工。

6.1 圍堰加工制作

依據Solid Works裝配體焊件清單，進場型鋼原材料，并按要求下料。側板單元塊的加工順序為：加工平臺鋪設→拼焊單側面板→點焊安裝橫向加勁肋角鋼→點焊安裝豎向加勁肋角鋼→補焊加勁肋焊縫→前后兩側面板對扣定位→安裝斜撐角鋼。圍堰加工過程中應嚴格把關焊接質量，焊縫應由疏至密，嚴禁順序焊接，防止面板不均勻受熱產生的變形。單元塊制作成型后應進行超聲波焊縫檢測和煤油抗滲試驗，驗收合格后將各塊件依據裝配體清單進行編號，加工好的單元件按清單進行驗收、入庫。

6.2 圍堰側板安裝及下放

利用Solid Works裝配體模塊，對單元塊進行模擬拼裝，確定好最優安裝方案后對現場工人及機械操作手進行施工動畫技術安全交底。測量人員根據模型數據轉換成坐標后進行現場放樣，將輪廓線用石蠟筆劃出，依據側板安裝動畫順序進行側板吊裝，側板安裝過程中要求對稱、分層拼裝。

測量人員復測鋼護筒傾斜度后，將數據導入Solid Works裝配體模型后，施工技術人員可在裝配體中上下平移圍堰模型，檢查開孔位置與鋼護筒的碰撞情況，確認底板開孔位置不會在下放過程中發生孔沿和護筒卡死。

7 結語

本文結合平口資水大橋地處柘溪水庫庫區和龍灣濕地公園生態敏感區和承臺設計要求，采用深水雙壁鋼吊箱輔助承臺施工。引入Solid Works輔助設計軟件和Midas civil有限元分析軟件對結構進行優化設計，利用3Dmax進行施工現場工序模擬，確定了最終的圍堰設計方案：圍堰高度為21.9 m，寬度15.4 m，長度11.3 m。經過施工實踐證明，平口資水大橋深水承臺雙壁鋼吊箱圍堰具有較高的結構強度、剛度及穩定性，足夠抵抗設計水深壓力，保證承臺安全施工。同時，由于提前對施工作業流程的模擬和優化，4個圍堰施工從2021年3月1日至2021年5月1日共歷時2個月，完成總計1 500 t的圍堰安裝與下放，較正常施工工期縮短了近40 d，得出如下結論：

1）在水位變化高差大的庫區內，利用雙壁鋼吊箱圍堰施工深水高墩承臺，可為承臺施工提供一個干燥、安全的施工環境，有效提升工程品質；

2）在設計階段引入Solid Works設計軟件和Midas civil有限元分析軟件可便于結構調整優化、簡化設計，在保證結構強度、剛度和穩定性的前提下優化結構設計，減少用鋼量，節約成本，提高設計效率；

3）將Solid Works模型導入3Dmax軟件，可模擬現場安裝的施工組織，優化施工流程，壓縮項目工期，節約人工成本；

4）以Solid Works軟件為核心的設計、施工指導思路有效地提高了施工效率，節約了工程成本，提升了工程質量，確保了項目施工安全，為類似工程臨時結構設計提供了一個嶄新的思路。