BIM技術(shù)在鋼管混凝土系桿拱橋中的應(yīng)用

2019-04-26 05:25杜伸云王雨舟

鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2019年1期

王勛，杜伸云，王雨舟，牛晨

（1. 安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230601；2. 中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，安徽合肥 230601）

1 概述

某大橋?yàn)橄禇U拱結(jié)構(gòu)，主橋結(jié)構(gòu)形式為下承式鋼管混凝土拱橋，跨度128 m，矢高25.6 m，矢跨比為f/L=1/5，兩側(cè)中心距9.8 m，共設(shè)5道風(fēng)撐。全橋吊桿布置采用尼爾森體系，共設(shè)56根單吊桿（見圖1）。

圖1 某大橋整體結(jié)構(gòu)

主橋拱肋采用啞鈴型截面（見圖2），截面高度h=3.4 m，由上、下弦桿及腹腔3部分組成，弦桿采用φ1 200×18 mm鋼管，鋼管內(nèi)部設(shè)加勁環(huán)，腹板采用δ=16 mm鋼板，間距960 mm，腹板沿拱肋軸線間距400 mm設(shè)1對(duì)拉桿。

2 施工難度

2.1 結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜

主拱為懸鏈線線形，上、下弦采用以折代曲的組拼工藝[1]，每個(gè)拱肋節(jié)段線形均不相同，導(dǎo)致鋼管接口角度種類多、加工過(guò)程復(fù)雜，精度控制難度較大。

2.2 構(gòu)件組拼精度要求高

本橋吊桿依次穿過(guò)下弦、腹腔、上弦后在上弦桿頂面通過(guò)錨箱固定，各吊桿傾角均不同，控制精度要求高。吊桿錨固處受集中力較大，錨固點(diǎn)需遠(yuǎn)離主管焊縫，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中造成焊縫破壞。主拱上、下弦及腹板單元采用折代曲加工后，在組拼胎架上完成節(jié)段拼裝。制造工藝要求主拱相鄰對(duì)接段縱向焊縫需錯(cuò)開500 mm以上，主管對(duì)接焊縫不能與風(fēng)撐位置交叉，拼裝過(guò)程中需對(duì)主對(duì)接縫及主管縱縫進(jìn)行調(diào)整。

圖2 拱肋結(jié)構(gòu)圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工難度大

由于該橋系梁拱部結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，系梁、承重支架、拱肋、風(fēng)撐等構(gòu)件空間位置相互交錯(cuò)，作業(yè)空間狹小，施工過(guò)程易發(fā)生碰撞，施工難度大，拱腳及定位鋼骨架需預(yù)埋在混凝土系梁內(nèi)，與系梁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力波紋管存在碰撞；系梁上搭設(shè)主拱承重支架，汽車吊在梁面完成主拱吊裝，施工機(jī)械與結(jié)構(gòu)易發(fā)生碰撞；主拱節(jié)段吊裝時(shí)需提前計(jì)算調(diào)整構(gòu)件提升角度使之與拼裝位置對(duì)應(yīng)[2]，保證構(gòu)件順利對(duì)接。

3 BIM技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 加工詳圖深化

（1）建立全橋三維模型（見圖3）。通過(guò)模型碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中存在結(jié)構(gòu)沖突的位置，經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)方溝通，優(yōu)化設(shè)計(jì)形式，避免施工階段返工。

（2）建立主拱結(jié)構(gòu)的精確模型。在BIM模型中以吊桿錨固點(diǎn)為中心進(jìn)行主管節(jié)段分段[3]，將主拱分段點(diǎn)取在錨固點(diǎn)兩側(cè)（見圖4），確保焊縫位置與錨固端不在同一位置，同時(shí)對(duì)拱肋分段重新進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整為7段。

（3）主拱懸鏈線線形需要通過(guò)拱肋分段接口不同角度實(shí)現(xiàn)[4]，若拱肋節(jié)段按照垂直懸鏈線的斜斷口加工，則每根鋼管端部均要切角，致使零件種類多，加工制造和現(xiàn)場(chǎng)焊接控制難度較大。通過(guò)BIM模型精確建模，采用斜斷口與直斷口交替對(duì)接方式[5]。該方式可以將直斷口節(jié)段設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)形式，減少一半零件種類，降低加工制造難度，提高成品質(zhì)量。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)直口節(jié)段使相鄰兩節(jié)段的縱縫錯(cuò)開500 mm以上（見圖5）。

（4）通過(guò)BIM模型發(fā)現(xiàn)拱腳及定位鋼骨架與系梁預(yù)應(yīng)力鋼筋束之間存在碰撞。模型確定拱腳與預(yù)應(yīng)力波紋管相對(duì)空間位置（見圖6），并對(duì)定位鋼骨架提前優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。提前在拱腳鋼管上精確開孔，避免現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)拱腳及定位鋼骨架二次切割，提高施工質(zhì)量和安裝效率。

圖3 某大橋整體三維模型

圖4 錨固點(diǎn)位置主管分段

圖5 主管直斜管分段

3.2 工廠組拼工藝優(yōu)化

（1）鋼結(jié)構(gòu)拱肋在工廠分段制造完成后，按照“四段一組”的工藝在胎架上匹配組拼。利用BIM技術(shù)提前模擬構(gòu)件在工廠的組拼順序，優(yōu)化焊接工藝?；诳梢暬腂IM模型下發(fā)三維技術(shù)交底[7]（見圖7），提高加工效率，減少人為錯(cuò)誤率。

（2）模型對(duì)拱肋組拼胎架優(yōu)化設(shè)計(jì)（見圖8），保證構(gòu)件制造精度。

3.3 承重支架深化設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)拱肋分段，在拱肋分段點(diǎn)處布設(shè)支架立柱[8]，全橋共布置6組支架（見圖9）。為便于承重支架循環(huán)利用和現(xiàn)場(chǎng)安裝，創(chuàng)新性的采用裝配式承重支架，通過(guò)BIM模型直觀的展示裝配式支架連接形式[9]（見圖10）。結(jié)合有限元分析結(jié)果，優(yōu)化臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（2）模型對(duì)承重支架立柱頂端作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。作業(yè)平臺(tái)由踏板、圍欄、掛籃等組成。通過(guò)BIM建模，優(yōu)化平臺(tái)柱頂平臺(tái)空間布置，確定平臺(tái)及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式（見圖11）。

（3）模擬拱肋現(xiàn)場(chǎng)吊裝工況，分析吊車與主結(jié)構(gòu)和承重支架之間的相對(duì)位置，確定汽車吊站位以滿足吊裝要求，避免汽車吊作業(yè)時(shí)大臂與鋼管支架及連接支撐之間的碰撞（見圖12）。

（4）模型可直接查詢構(gòu)件的重心位置及質(zhì)量，模擬構(gòu)件的起吊工況，精確匹配兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)度，保證提升角度與拼裝位置對(duì)應(yīng)[10-11]（見圖13）。

圖6 拱腳BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋對(duì)比

圖8 拱肋節(jié)段組拼胎架

圖9 承重支架結(jié)構(gòu)形式

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某大橋結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)條件的綜合分析，利用BIM技術(shù)輔助構(gòu)件的工廠加工制造和現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工。該技術(shù)在加工圖紙深化、工廠組拼工藝優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)施工方案制定3個(gè)方面應(yīng)用研究，解決橋梁施工中結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、空間位置交錯(cuò)、精度控制難度大的難題，可為類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)大跨度橋梁工程施工提供借鑒。