大型复杂钢桁桥梁三维精细建模

姜 华，彭运动，于 欢

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.中国科学院大学，北京100049)

桥梁交通工程往往规模大、构件布置复杂，在工程设计和施工管理过程中仅靠平面图纸等资料很难完全达到设计要求.特别是对决策者来说，并不具备对专业图纸的读取能力和对所设计工程的空间想像能力，因此如何直观地反映复杂的工程设计，为决策者提供详细的参考资料，成为设计行业必须解决的问题.为此，笔者依据新的技术软件，结合坝陵河特大钢桁梁桥工程的设计，以Autodesk CAD软件为平台，建立了直观、精细的坝陵河特大钢桁桥梁空间模型［1］，为科学决策提供技术支持.

1 工程概况

坝陵河大桥跨越坝陵河峡谷，峡谷宽约2 000 m，深切达600 m，两岸地势陡峭，地形起伏变化很大.坝陵河大桥的桥型方案选用主跨为1 088 m的钢桁加劲梁悬索桥［1］.桥主缆横桥向间距为28.0 m，吊索顺桥向间距为10.8 m.主桁架的桁高为10 m，标准节间长为10.8 m，两片主桁架左、右弦杆中心间距与主缆间距相同，为28.0 m.

2 三维精细模型的建立

主桥钢桁架由主桁架，主横桁架和上、下平联组成.钢桁加劲梁是由钢桁架和正交异性钢桥面板两部分组成.主桁架是由上、下弦杆，竖腹杆和斜腹杆组成，为带竖腹杆的华伦式结构.斜腹杆及上、下弦杆均选用闭口箱形断面.在加劲梁端部及中央扣处的竖腹杆采用闭口箱形断面，其余均采用H形断面.主横桁架由上横梁、下横梁、外侧斜腹杆、竖腹杆及内侧斜腹杆组成，是单层桁架结构.外侧斜腹杆均采用H形断面，其余均选用闭口箱形断面.上、下平联均选用闭口箱形断面梁［2－3］，采用K形体系.应用Autodesk CAD软件，建立的坝陵河钢桁桥梁三维模型如图1所示，图中的(a)—(f)为图2各详图的编号.

图1 主桥钢桁加劲梁三维模型

2.1 钢桁架各构件之间的连接

主桁架的上、下弦杆设置了整体节点板，竖腹杆和斜腹杆通过整体节点板与上、下弦杆连接，主桁架的弦杆与主横桁架的横梁、平联之间通过焊接节点板连接，如图2(a)与(b)所示.主横桁架的上、下横梁设置了竖向焊接节点板，如图2(c)与(d)所示.主横桁架的竖腹杆(图2(e))、斜腹杆通过竖向焊接节点板与上、下横梁连接.主横桁架的上、下横梁设置了水平整体节点板，上平联、下平联(图2(f))分别通过水平整体节点板与上横梁、下横梁连接.在节点板处，各构件之间均采用高强度螺栓连接.

图2 桁架连接部件图

2.2 桁架及正交异性钢桥面板

钢桁加劲梁采用从两侧索塔向跨中架设的方案.主桁架的端节间作为第1架设节段，然后每两个节间作为一个架设节段，全桥共设置51个架设节段，其中跨中节段为合拢段，主桁架的各节段均采用平面构架法拼装.主横桁架每个桁架片作为一个架设节段，全桥共有101个主横桁架节段.主横桁架各节段均采用平面构架法拼装.上、下平联采用单杆拼装.

在横桥向，正交异性钢桥面板分为左、右两幅，每幅桥面板宽12 896.1 mm，两幅桥面板之间净距为600 mm.标准段长10.8 m，每个节段沿横桥向划分为两块安装节段.

2.3 正交异性钢桥面板各构件之间的连接

正交异性钢桥面板的桥面板与U形加劲肋、纵向板肋、横隔梁、纵梁之间通过焊接连接，如图3(a)与(b)所示.顺桥向两块正交异性钢桥面板之间，桥面板通过焊接连接;U形加劲肋、纵向板肋和纵梁通过高强度螺栓连接，如图3(c)与(d)所示.

图3 桥面模型图

2.4 正交异性钢桥面板各联之间的连接

正交异性钢桥面板在两端每10个节段作为一联，跨中区域每20个节段作为一联，全桥共设置为6联，每两联之间设置一道伸缩缝，伸缩缝宽40 cm.

2.5 钢桁架与正交异性钢桥面板之间的连接

正交异性钢桥面板的纵梁下面设置盆式橡胶支座，全桥共计848个，盆式橡胶支座放置在主横桁架上横梁的上翼缘板上.

2.6 钢桁架与主缆之间的连接

上弦杆的腹板向上伸出耳板，吊索通过耳板销接，将加劲梁吊在主缆上.

2.7 加劲梁的梁端约束

在加劲梁的梁端，主桁架端竖杆的正下方各设置一个竖向支座，竖向支座安装在索塔的下横梁顶面上，全桥共计4个.主横桁架端上横梁和下横梁两端对应主桁上、下弦杆的外侧各设一个横向抗风支座，全桥共计8个.在主跨跨中处，主缆与钢桁架之间设置3对柔性中央扣.在正交异性钢桥面板的端部各设置一组纵向伸缩缝装置，全桥共计2组.

2.8 施工阶段的架设铰

根据施工阶段钢桁梁的受力情况，在主桁的上弦杆上设置4对临时架设铰.

2.9 钢桁加劲梁的立面成桥线形

钢桁加劲梁立面成桥线形为凸形竖曲线，如图4所示.除端部节间外，主桁架在跨中区域等分为98个标准节段，在标准节段上弦杆长为10 781 mm，下弦杆长为10 777.8 mm，除端部节间外，正交异性钢桥面板在跨中区域也等分为98个标准节段，在标准节段上长10 801.5 mm.

图4 成桥精细模型

3 精细模型的应用及扩展

3.1 桁架设计构建尺寸校核

根据平面图纸设计，对钢桁加劲梁桥的主桁架、钢桥面板、支座等进行三维精细建模，然后再对各杆件进行预拼装，对所设计接头部位的构件连接和尺寸进行一对一的空间预安装校核，检验各构件的设计是否满足施工安装要求.

3.2 三维精细模型的数据转换

三维精细模型的建模完成后，可以通过Auto-CAD环境下的应用软件CIS2CAD直接读取、设计、分析制作模型的STP文件，并可立即产生整个工程的三维CAD实体模型［4－5］.相应的Access数据库产生虚拟仿真VRML文件，并自动连续产生制作施工详图和车间图，还提供了图形编辑工具.虚拟现实模型数据的转换过程如图5所示.

图5 虚拟现实模型的数据转换

该程序已成功应用于北美数十个结构工程，并从2005年起在我国国内进行汉化和调整，适应国内标准并在国内的两个工程中加以应用.为钢结构桥梁设计、分析、计算、施工过程管理的可视化研究提供了强有力的技术支持.

4 结语

1)建立的坝陵河钢桁桥梁三维精细模型，实现了对桁架各设计构件进行模型预拼装和杆件截面尺寸和节点的校核.

2)三维精细模型经数据转换，产生可视化的虚拟现实模型，为决策者提供可视化的数字分析模型，对做出科学的决策提供技术支持.

3)通过该工程的精细建模应用，为同类型复杂结构的前期设计校核和可视化数字模型的数据转换提供了一种方法.

［1］魏群，彭成山，姜华，等.钢桁梁架设过程仿真技术研究［R］.郑州:华北水利水电学院钢结构与工程研究所，2008.

［2］魏群，姜华，彭运动，等.大型钢桁架悬索桥节点刚度对成桥受力影响探讨［J］.公路，2009(3):29－33.

［3］姜华，魏群，彭运动.坝陵河大型悬索桥钢桁加劲梁安装施工新技术［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(1):37－40.

［4］魏群.逻辑产品模型的研发和应用［C］//新世纪水利工程科技前沿.天津:天津大学出版社，2005.

［5］魏群.数字城市可视化仿真三维实体建模及虚拟现实软件系统的自主研发［C］//第二届中国国际数字城市建设会议论文集.苏州:知识产权出版社，2006.