深中通道曲線匝道橋參數化提料方法研究*

劉 申,孫悅楠,陳煥勇,谷 杰,范軍旗

(1.中鐵山橋集團有限公司, 河北 秦皇島 066205; 2.深中通道管理中心, 廣東 中山 528409)

0 引言

深圳—中山跨江通道工程是連接珠江口東、西兩岸深圳和中山兩市的一條跨越珠江口內伶仃洋的通道,直接連接深圳經濟特區與中山市。其東接機荷高速公路,跨越珠江口,西至中山馬鞍島,與規劃的中開、東部外環高速公路對接,實現在深圳、中山及廣州南沙登陸,項目全長約24.03km,其中跨海段長22.39km,鋼結構橋梁合計27.99萬t,將深圳經濟特區與中山市、江門市緊密連接在一起,使粵港澳大灣區的交通網絡更加發達。其中,鋼結構橋梁包括伶仃洋大橋東泄洪區24×110m鋼梁、主跨1 666m 伶仃洋大橋主橋、伶仃洋大橋西泄洪區22×110m鋼梁、主跨580m中山大橋主橋、9×110m引橋以及(18+5)×60m淺灘區非通航孔橋和萬頃沙互通立交匝道橋等,是世界級集“橋梁、隧道、人工島和水下互通”于一體的超大型跨海集群工程。項目路線如圖1所示。

圖1 深中通道路線

其中,萬頃沙互通立交B匝道橋采用4×42.5+42.292=212.292m 5跨連續變寬鋼箱連續梁。橋梁位于縱坡-1.015%/-2.5%直線和R=8 000m的凸曲線上;平面位于半徑R=60m的小半徑圓弧上;橋面橫坡設超高,分為6%橫坡不變段和從6%變化到2.5%橫坡變化段;橋面變寬則是通過保持挑臂長度不變、調整箱室寬度來實現。萬頃沙互通立交B匝道橋效果如圖2所示。

圖2 B匝道橋效果

萬頃沙互通立交B匝道橋頂面寬度為8.5～10.17m,挑臂長2.5m,曲線內側腹板高2.016m。鋼箱梁由頂板、底板、腹板、隔板、挑臂等板單元組成,鋼箱梁節段如圖3所示。頂板為正交異性板,橫隔板均與線路中心線垂直,沿徑向設置。本橋同時具有平曲線和縱曲線,平曲線圓弧半徑較小,不能以直代曲,曲線形鋼箱梁的橋梁中線為空間三維曲線。頂、底板為異形件。全橋挑臂長度保持不變,通過調整箱室寬度實現橋面寬度變化;全橋曲線內側腹板高度保持不變,通過調整外側腹板高度實現橫坡超高變化,不同里程處的隔板也形狀各異;B匝道橋設置2道直腹板,腹板受平曲線、縱曲線及預拱、橫坡等多個因素影響,扭曲較大,外形復雜。

圖3 B匝道橋鋼箱梁立體

1 傳統提料方法與技術難點

傳統提料技術方法是通過CAD建模實現。傳統的CAD建模是一種面向過程的建模方式,用戶按一定邏輯順序依次添加圖元,最終形成整個模型,當參數改變時,則要一步一步還原進行修改,得到特定的板單元。對萬頃沙互通立交B匝道橋進行提料,是按不同類別板單元進行放樣,逐步提料。對隔板單元提料,是根據設計給定參數,保持底板水平,曲線內側腹板高度不變,通過改變箱室寬度及橫坡大小對隔板逐個進行放樣,得到形狀不一的隔板,再定位加勁肋及管線孔等,得到不同規格零件。對頂、底板單元提料,則要根據平曲線進行放樣,以道路中心線和隔板定位為基準,參考隔板與頂、底板各控制點參數,得到頂、底板放樣,再定位并繪制板肋,得到頂、底板單元提料數據。對腹板單元提料時,則要將平曲線、縱曲線、預拱等因素疊加,由于B匝道橋平曲線圓弧半徑較小,導致腹板更復雜,傳統放樣需更精確。

以隔板為例,全橋橫隔板、橫肋板共計137道,約1 000個異形件,隔板異形件約850個,隔板工作量占全橋85%左右。標準橫隔板斷面如圖4a所示,標準橫肋板斷面如圖4b所示。曲線內側腹板高度不變,通過調整主要數據i值和T值得到相應的放樣。

圖4 標準橫隔板與橫肋板斷面

基于B匝道的結構特點,對于曲線較復雜、變化要素較多的鋼結構橋梁,傳統提料技術方法重復性工作較多,異形件放樣工程巨大、效率低。例如,就隔板單元而言,只要參數表中箱室寬度、橫坡改變,就要對隔板放樣進行修改,進而修改隔板單元內其他零件規格;頂板單元提料需加入平曲線要素,腹板提料需再次疊加平曲線要素,便會出現同一要素重復性工作,導致工作量增加。該橋不僅兼具平曲線和縱曲線、橋面變寬,也存在橋面橫坡變化段,腹板放樣疊加因素較多,同時腹板還為三維空間曲面,傳統放樣難度大。在后續核驗放樣過程中,則需通過不斷轉換空間坐標系,根據各板單元間的角度關系進行定位,完成裝配,操作過程復雜,結果不夠直觀。

2 參數化提料技術

空間復雜曲面結構的建模十分繁瑣。CATIA擁有強大的參數化設計功能,可在鋼結構橋梁中實現數據的相互引用、傳遞及數據聯動。可利用其“骨架+模板”的三維建模方法,對萬頃沙互通立交B匝道橋進行模型建立。

2.1 骨架創建

“骨架”在結構中有著中心樞紐的關鍵作用,既限定了各構件間的相對位置,同時各構件也要將骨架作為建模的共同依據,省去了相同因素因構件不同而產生的重復性工作。先將各參數錄入資源表,以便后期調用。將B匝道橋的平曲線(見圖5)、豎曲線(見圖6)、拱度等數據疊加,得到道路中心線,以道路中心線作為模型骨架。骨架模型如圖7所示。

圖5 平曲線示意

圖6 豎曲線示意

圖7 骨架模型

在對應的里程處定位隔板,并徑向布置,即在相應里程處取曲線點的法面,如圖8所示。然后根據資源表內的參數,在法面上進行點的移動得到其余控制點。擬合得到頂板、底板、腹板各控制點后,以點成線、以線成面,進行線形和曲面擬合,得到定位所需的點、線、面等基本元素,通過添加約束關系可將各構件便捷精準定位,快速建模,如圖9所示。

圖8 橫隔板定位

圖9 梁段模型

有了骨架就相當于有了鋼箱梁的總體布置,明確了主要構件的相對位置關系,這樣后期對各部分進行建模時,就不必再考慮其他構件的影響。在基礎模型設計過程中,充分利用f(x)公式編輯器,通過尺寸公式編輯將模型參數與草圖輪廓等進行關聯,從而進行參數創建。

2.2 參數化提料

根據生產制造、發運等工作需要,將板單元分塊,分塊方案加入前期骨架制作中,并設定好梁段編號等相關參數。

頂、底板和腹板按一個梁段建立模型,形成模板。將各參數編輯到腳本中,在模型構建時可隨時調用,省去很多重復操作。例如,將平曲線編入腳本中,無論在頂板模型還是腹板模型直接調用即可,不必重復放樣。制作模板還可通過添加約束使數據聯動,減少反復修改次數。例如,在腹板提料中,對于板肋,定位一般是平行于頂、底板的相交線,所以板肋定位一般只需輸入板肋定位線的3個元素,即與哪個相交線平行、與相交線的距離和板肋的規格,然后在板肋定位線上生成實體即可,只要腹板外形發生改變,板肋便自動改變。實際提料中,板單元分塊也使提料數據增多,應用模板使梁段編號參數相對應,就能生成該梁段模型,極大地縮短時間,提高效率。隔板的模板則根據斷面圖在平面繪制草圖,然后通過更改草圖的定位里程,定位方式為利用鉛錘或垂直于頂、底板,包括管線孔、人孔的定位,隔板加勁的數量、長度等,無須根據橫坡改變逐個放樣,直接可調取表格中的里程數據,利用表格數據驅動圖形,如圖10所示。

圖10 腹板與隔板單元模板示意

在提料數據生成方面,同樣編寫腳本。對于標準板件,可控制其不變的參數,通過改變變化的參數,利用數據聯動,得到提料數據。例如,板肋寬度與厚度不變,可直接讀取板肋定位線長度,寬度、厚度寫成固定值,便可得到板肋的提料數據。對于非標準板件,可編寫通用腳本,即便外形不同,但量取數據原則一致。例如,對于隔板、頂板等異形板件,腳本可讀取整個實體,得到厚度,然后提取出板件的最大面,并將最大面的最小外接矩形的長寬輸出,便得到異形件尺寸,對如腹板的曲面展開更加準確,如圖11所示。不同異形件不再需逐個手動量取數據,應用十分方便、快捷,如圖12所示。

圖11 腹板曲面展開示意

圖12 腹板提料參數(部分)

3 參數化提料技術優勢

3.1 碰撞檢查

在建立 “骨架”之初,已將平曲線、縱曲線、橫坡、預拱、各構件的相對位置關系等諸多條件進行了疊加,各部分獨立進行建模后,可采用CATIA現有的裝配功能定位各構件,相比于CAD更加簡便直觀。進行裝配后,復雜曲面模型一目了然,通過相關計算進行干涉,檢查頂板、底板、腹板、隔板單元間是否合理。若發現不妥之處,也可按各構件模板單獨修改,如圖13所示。

圖13 碰撞檢查示意

3.2 數據導出

腳本與模板編輯完成后,即可得到相應的提料數據。傳統的提料方法可將一些相同的構件利用excel中的函數關系式進行轉換,但很難將模型與表格中的函數進行聯系。參數化建模后,通過編寫腳本便可使模型和數據建立聯系,彌補了因某一處修改導致相關數據修改不全面的不足。對于三維曲面,可直接展開,降低近似處理的偏差;對于異形件,可輸出最小外接矩形規格,節約鋼材、降低消耗。

4 結語

本文結合萬頃沙互通立交B匝道橋鋼箱梁提料工程實例,從B匝道橋結構特點、傳統提料難點、參數化提料技術方法、與傳統提料相比參數化提料優勢幾方面進行了系統分析研究。由參數化提料數據看,本文所闡述參數化提料技術方法不僅能提高工作效率,還能提高數據準確性。