基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測

摘要：由于目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點連接復(fù)雜，且在制造、安裝過程中存在各種不確定性因素，導(dǎo)致節(jié)點穩(wěn)定性不足，影響整個橋梁的安全性和使用壽命。基于此，提出一種基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法。首先，進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的幾何特征分析與節(jié)點庫設(shè)計，通過將BIM技術(shù)與有限元分析方法相結(jié)合，實現(xiàn)對裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點的精細(xì)化建模和穩(wěn)定性分析。然后，應(yīng)用基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法，對橋梁進(jìn)行變形位移監(jiān)測，相關(guān)變形數(shù)值符合施工規(guī)定。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；裝配式建筑；節(jié)點庫；鋼結(jié)構(gòu)

基金項目：“雙碳”目標(biāo)下拉薩裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展及基于BIM技術(shù)的應(yīng)對策略的研究（202310694008）

0" "引言

在國內(nèi)某些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于受到自然環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的橋梁建設(shè)常以3～10個月為主要時間節(jié)點，總體施工窗口時間較短。且現(xiàn)場施工常缺乏專業(yè)人員，存在施工技術(shù)薄弱等等問題。裝配化施工因具有適用范圍廣、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、質(zhì)量易于控制、施工速度快等，逐漸成為我國橋梁施工的重要形式。

由于目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點連接復(fù)雜，且在制造、安裝過程中存在各種不確定性因素，導(dǎo)致節(jié)點穩(wěn)定性不足，影響整個橋梁的安全性和使用壽命。基于此，本文提出一種基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法。

1" "基于BIM橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法

1.1" "橋梁幾何特征分析與節(jié)點庫設(shè)計

1.1.1" "橋梁幾何特征分析

在節(jié)點所在截面采用等效截面法，以實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在極限狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性檢測與變形控制，并建立便于工程應(yīng)用的簡化計算模型。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點分析中，一般將其按等效剛度換算為鋼材，再與其下部邊緣的工字形鋼材組成組合截面。鋼結(jié)構(gòu)因其自身的均勻特性和各向異性等特性，使其總體計算更為直觀、簡明[2]。

當(dāng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的連接板與柱之間的鉸接設(shè)置為雙邊角焊縫，而連接板與梁腹板之間相連處為高強度螺栓時，則高強度螺栓與焊縫之間的連接點，除了要考慮梁端部分的剪切之外，還應(yīng)該考慮由偏心引起的附加彎矩。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的幾何特征如圖1所示。

1.1.2" "相關(guān)參數(shù)計算

當(dāng)橋梁使用單側(cè)連接板進(jìn)行連接時，連接板的厚度t的計算公式如下：

（1）

式中：g2表示連接板垂直方向的長度，g1代表梁腹板的高度，tε 表示梁腹板的厚度。

在次梁端位置的剪力作用下，使用一個高強度螺栓連接橋梁的一側(cè)所受的作用力nv 的計算公式如下：

（2）

式中：α表示高強度螺栓的數(shù)量，χ代表高強度螺栓的中心承載力。

1.1.3" "鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點分類

根據(jù)上文分析的橋梁連接板與柱之間方式，本文使用BIM技術(shù)的Tekla Structures軟件對鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點進(jìn)行分析，按照鉸接與剛接的節(jié)點類型進(jìn)行分類，其節(jié)點分類結(jié)果如表1所示[3]。

1.1.4" "連接節(jié)點庫建立

在節(jié)點分類基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)的Tekla軟件對裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)行建模，并采用參數(shù)化設(shè)計思想建立連接節(jié)點庫。參數(shù)化是指在建立節(jié)點庫時，依據(jù)參考平面與參照線，使裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁按照施工需求協(xié)調(diào)變動。裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點組成，包括方鋼管柱、H型鋼柱、梁腳底板和螺栓等。在鋼構(gòu)件橋連接板與基本結(jié)構(gòu)連接時，根據(jù)尺度需要改變連接板的位置。在鋼構(gòu)橋節(jié)點模型建立完畢后，再嵌入鋼筋。在節(jié)點模型建立過程中，由于節(jié)點參數(shù)與基本結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為此可采用橋梁中心參數(shù)調(diào)節(jié)其余參數(shù)[4]。

1.2" "基于BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測

基于BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁節(jié)點庫設(shè)計后，使用該節(jié)點庫進(jìn)行對裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的節(jié)點穩(wěn)定性檢測。模型單元傳遞矩陣為穩(wěn)定性檢測的狀態(tài)變量，通過節(jié)點單元的剛度矩陣和桿件的變形微分方程，可構(gòu)造出結(jié)構(gòu)的基元端部和最近鄰接點元端面狀態(tài)量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1.2.1" "單元上、下端狀態(tài)變量之間轉(zhuǎn)換

節(jié)點庫中的第段單元上、下端狀態(tài)變量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的表達(dá)公式如下：

qzi=riqxi=riUiqzi-1=Viqzi-1" " " " " " "（3）

式中：qzi表示結(jié)構(gòu)上端面狀態(tài)變量，qxi代表結(jié)構(gòu)下端面狀態(tài)變量，qzi-1表示第i-1段上端面的狀態(tài)變量，ri、Ui分別代表轉(zhuǎn)換向量。

1.2.2" "節(jié)點穩(wěn)定性分析傳遞向量計算

裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性分析傳遞向量的表達(dá)公式如下：

（4）

式中：k代表節(jié)點的柱剛度，m代表相同的層柱數(shù)量，h表示鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點框架的高度，A代表相同處梁線剛度的參數(shù)，P代表鋼結(jié)構(gòu)的豎向載荷。

1.2.3" "端面節(jié)點狀態(tài)變量計算

經(jīng)過整合變量后，得到鋼結(jié)構(gòu)橋梁上的端面節(jié)點狀態(tài)變量表達(dá)公式如下：

qn=VnVn-1…V2V1q0=Vq0" " " " " " "（5）

1.2.4" "鋼結(jié)構(gòu)柱所承擔(dān)軸向壓力計算

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，所受的集中荷載和所受的均布荷載可以看作是橋梁截面上的一個集中應(yīng)力。該應(yīng)力是沿著橋梁柱的軸向施加的。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的框架沿高度方向施加，承受質(zhì)量和剛度都是均勻分布，所以可以將鋼結(jié)構(gòu)每層柱所承擔(dān)的軸向壓力設(shè)定大致相同，其計算公式如下：

yij=φi y" " " " " " " " " "（6）

式中：φi 代表最大屈服值，yij表示橋梁節(jié)點在第i處第j根柱所受的豎向應(yīng)力。

1.2.5" "節(jié)點承受的水平荷載計算

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的第i處節(jié)點上，其水平側(cè)荷載作用隨高度的增加而增大[5]。水平荷載可以分為風(fēng)荷載和地震荷載，兩者都可以用與垂直荷載成線性關(guān)系表示，第i處鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點承受的水平荷載的計算公式如下：

?i=φi y" " " " " " " " " "（7）

式中：φi 表示鋼結(jié)構(gòu)橋梁的各處節(jié)點的側(cè)移量。

1.2.6" "節(jié)點變形量計算

求解橋梁節(jié)點的極限荷載是以鋼結(jié)構(gòu)橋梁的垂直荷載值y，再利用所建立的節(jié)點穩(wěn)定性分析的傳遞向量V，求出節(jié)點的初始狀態(tài)變量y-、?-，并利用節(jié)點狀態(tài)變量的轉(zhuǎn)移矩陣Vi，求出鋼結(jié)構(gòu)的各處節(jié)點的側(cè)移量φi ，從而得到對應(yīng)于極限荷載ymax的鋼結(jié)構(gòu)橋梁一節(jié)點的變形量。

1.2.7" "單柱軸壓力計算

設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)橋梁的一節(jié)點pi處于第i處單柱的軸壓力表示為yi=φi y，則該壓力取值表達(dá)公式如下：

（8）

式中：yμ表示鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件材料屈服時的對應(yīng)的荷載，φi代表最大屈服值，y的取值一般為[0，ye]。

1.2.8" "穩(wěn)定性檢測參數(shù)計算

根據(jù)以上分析，可以得出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)點分級荷載，鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性的檢測依據(jù)下列公式：

（9）

式中：y0代表歐拉荷載。

在實際工程中，為了節(jié)省成本和受力，橋梁通常采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，這樣既能減少節(jié)點的數(shù)目，又能通過內(nèi)力再分布，將不利的跨中彎矩傳遞出去。但在墩頂負(fù)彎矩區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)橋面板會受到不同程度的拉伸，從而對橋梁節(jié)點的穩(wěn)定性和計算產(chǎn)生一定的影響[6]。

2" "實驗測試與分析

2.1" "工程概況

此次實驗以西藏拉薩的一處裝配式鋼結(jié)構(gòu)公路橋梁為例，該公路屬于新建川藏鐵路的重要組成部分，公路規(guī)劃中含有北線與南線兩種方案，該公路橋梁設(shè)計時速為150km/h。該橋梁工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。橋梁結(jié)構(gòu)材料主要參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

2.2" "實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上文對工程概況的分析，本次實驗以該橋梁工程的節(jié)點對應(yīng)截面最大承載能力下的變形位移數(shù)值作為測試指標(biāo)，具體實驗結(jié)果如表4所示。

由上述實驗結(jié)果可以看出，使用基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法，進(jìn)行變形位移監(jiān)測，其變形數(shù)值符合施工規(guī)定的變形范圍之內(nèi)。由此證明，基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法是一種高效、準(zhǔn)確的檢測方法，可以為橋梁施工提供重要的技術(shù)支持和保障。

3" "結(jié)束語

基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測方法是一種高效、準(zhǔn)確的檢測方法，可以為橋梁施工提供重要的技術(shù)支持和保障。此外通過本次檢測，也得到了很多寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)。首先，在檢測過程中需要注重細(xì)節(jié)，不能忽視任何一個可能影響節(jié)點穩(wěn)定性的因素。其次，需要更加深入地研究和掌握BIM技術(shù)，以便更好地應(yīng)用它來解決實際問題。最后，需要加強與各方的溝通和協(xié)作，以便更好地實現(xiàn)檢測的目的。本次基于BIM技術(shù)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點穩(wěn)定性檢測提供了寶貴經(jīng)驗。相信，在未來的橋梁安全檢測和維護(hù)過程中，將能夠更好地應(yīng)用這些結(jié)果和經(jīng)驗教訓(xùn)，確保橋梁的安全使用。

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