长江公铁斜拉桥BIM模拟与计算分析

陈永高,单豪良

浙江工业职业技术学院,浙江绍兴312000

长江公铁斜拉桥BIM模拟与计算分析

陈永高,单豪良

浙江工业职业技术学院,浙江绍兴312000

在总结分析国内外已建大跨度公铁两用斜拉桥结构特征的基础上，利用BIM技术对铜陵公铁两用长江大桥进行建模，导出为IFC标准格式，并导入到结构分析软件中，对其静、动力特性进行了计算分析，并详细介绍了大桥计算分析过程中的重点和难点，包括准确模拟桥面系结构、桩-土作用以及确定施工索力等。计算结果表明：模拟成桥索力与设计成桥索力相对误差均在±5%范围内；施工阶段和运营阶段主桁应力及索力均满足设计规范要求；考虑桩-土作用的大跨度桥梁结构体系动力特性明显优于无桩-土作用的桥梁结构体系。BIM技术在桥梁工程上的应用、建模及计算方法和结果可为同类桥梁的设计、分析提供参考。

建筑信息模型；斜拉桥；模拟；计算分析

在桥梁的设计阶段，由于设计和出图工作量很大，利用传统的图纸表达方式，不仅工作繁杂，而且容易出错。另外，桥梁设计与施工工艺环节联系紧密，如果能在设计阶段提前把桥梁的施工和运营过程模拟出来，就可以基本避免实际施工和运营中出现的一系列问题[1]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）能够集成建设项目的实体和功能相关信息，并有机关联这些信息，提供虚拟实境模型，降低工程信息的遗漏和以及显示不直观的问题。其能够解决工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建筑全生命期动态的工程信息，包括构件材料、力学性能、施工资源等许多其他信息，具有可视性、可模拟性等特点。能够实现一次建模，多次使用，并纳入协同工作的理念。

由于大跨公铁两用斜拉桥施工工序多，施工工艺复杂，且随着施工阶段的不断推进，斜拉桥的结构体系、荷载工况、约束条件、材料性能等都在不断变化，为了模拟桥梁施工及运营阶段状态和明确各个阶段全桥结构内力和变形情况，并确保大跨度公铁两用斜拉桥的运营安全，对桥梁进行BIM建模和模拟，并对结构静力和动力进行计算分析是很有必要的。

以主跨630m的铜陵公铁两用长江大桥为工程背景，通过BIM软件Revit建立了全桥模型，并通过IFC标准格式导入到结构计算软件中，分析研究了该桥的静力、动力特性，并详细介绍了大跨度斜拉桥建模过程中的重点和难点，保证了计算分析结果的准确性。

1 工程概况

铜陵公铁两用长江大桥位于安徽省铜陵市铜官山河段，是合福铁路跨越长江的重要通道，大桥主桥全长为1290 m，主跨630 m，跨径布置为(90+240+630+240+90)m的五跨连续钢桁梁三索面斜拉桥，单孔双向通航,主塔为钻石型混凝土塔，塔高212 m，采用钢绞线斜拉索。此桥为公铁两用桥，上层为双向六车道公路，下层为四线高速铁路，其主桥结构布置如图1所示。

主梁为板桁结合钢桁梁，N型桁架，主桁总宽度为34.2 m，横断面采用三片主桁的型式，桁宽2×17.1 m，桁高15.5 m，节间长度15 m，共86个节间。上、下弦杆设计时均考虑板桁共同作用，弦杆、竖杆、斜杆共采用140种截面类型。

钢梁主桁采用桁片式设计，桁片钢梁长度30 m，单片最大重量约330 t。上弦杆高约1.3～1.592米，下弦杆高约1.62 m，杆件宽为1.6 m，斜杆和竖杆采用箱形或工字型截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接，斜拉索锚固于主桁上弦节点。

图1 铜陵长江大桥主桥结构布置图(单位:m)Fig.1 The main bridge structure layout of Tongling Yangtze River Bridge(unit:m)

主塔总高度为212m，采用C50混凝土结构，箱型截面。上塔柱顺桥向宽度均为9.6m；从中塔柱顶部开始，塔柱顺桥向宽度由9.6m渐变至下塔柱底为16m。上塔柱采用单箱三室结构，中塔柱、下塔柱及下横梁采用单箱单室结构。在中塔柱与上、下塔柱交接处设置倒角。下横梁采用单箱单室结构，并在主桁支承点处设置三道隔墙。

拉索采用三索面钢绞线斜拉索，共有38种拉索编号(两塔对称布置，每个索编号包含1根中索和2根边索)，索编号由主桁与桥塔支点往边墩方向依次为S1～S19，往中跨跨中方向依次为M1～M19。

2 全桥BIM模拟过程

为了模拟铜陵长江大桥的施工情况及确定其在运营过程中的静、动力特性，本文先采用BIM技术建立模型（此模型在设计、施工、运营阶段均可通用），然后导入到结构有限元分析软件中，在充分考虑计算精度和计算耗时等因素的基础上，分两个层次，优化了全桥有限元模型和局部构件精细化有限元模型。主桁梁、索塔和桥墩采用空间梁单元模拟。对于公路、铁路桥面采用空间板梁法（即等效板单元和梁单元）共同模拟，斜拉索采用改进后的等效弹性模量法，用空间桁架单元对斜拉索进行模拟。

图2 全桥结构BIM模型Fig.2 BIM model with full-bridge structure

以下将重点围绕全桥模型关键部位的模拟情况进行详细介绍。

2.1 主桁模拟

对于大多数的钢桁梁斜拉桥，一般采用两片主桁，而铜陵长江大桥采用了三片主桁梁，主桁受力更加复杂，中桁与边桁存在不同的截面形式，针对主桁梁的受力和构造特点，采用梁单元进行模拟。由于钢桁梁节间长度15米，且每3米有一道横隔梁，故上、下弦杆每3米长划分一个单元。主桁模型如图3所示。

2.2 正交异性钢桥面板模拟

铜陵长江大桥桥面系为正交异性钢桥面板结合梁体系，由纵向U形纵肋、纵横梁、盖板组成。为准确模拟铜陵长江大桥的实际情况，对正交异性钢桥面板结构进行计算分析，将纵肋均摊到盖板上，从而将正交异性钢桥面板比拟为构造正交异性板来进行计算分析。为了保证计算精度，将桥面BIM模型导入计算软件，形成完全模拟实际桥面系的结构模型，然后用长0.75米，宽约0.65米的板单元划分盖板，用与板单元共节点的梁单元划分U形肋、纵梁和横梁形成桥面板的计算模型，如图4所示。

图3 主桁模型图Fig.3 Main girder model

图4 桥面系模型图Fig.4 Deck system model

2.3 主塔、桥墩和桩基础模拟

主塔采用梁单元进行模拟，由上、中、下塔柱和下横梁四部分组成。根据施工过程及拉索区位置将主塔划分单元，桥墩建模时是考虑变截面及施工过程来划分单元的，依然采用梁单元进行模拟。桩基础依据桩-土作用力划分单元。主塔模型见图5所示，塔梁局部模型见6所示。

图5 主塔模型图Fig.5 Main column model

图6 塔梁局部模型图Fig.6 Partial model of column girder

2.4 斜拉索模拟

斜拉索的模拟建模过程中多采用等效弹性模量法。用空间桁架单元对斜拉索进行模拟，对于大跨度长斜拉索来说，由于其垂度带来的非线性问题是我们不得不考虑的问题，通过理论验证，可以通过用Ernst公式对空间桁架单元的弹性模量进行修正来近似解决[2]。建立的模型如下：

图7 斜拉索模拟Fig.7 Simulation of flow around stay cables

2.5 桩-土作用模拟

处理桩-土-结构相互作用时，土壤的非线性特征是控制土动力作用的重要因素。利用有关土-结构相互作用中主要非线性和次要非线性的概念，并结合桩基桥梁的具体情况，模型采用土弹簧模拟桩-土作用，在结构分析软件中采用“节点弹性连接”模拟桩-土作用，模拟效果见图8所示。

图8 桩-土作用模拟图Fig.8 Simulated diagram of pile-soil interaction

2.6 荷载组合工况

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）及《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）的规定，本文计算分析主要考虑以下荷载组合，如表1所示。

表1 各荷载工况组合表Table 1 Combination of loading cases

3 计算结果分析

3.1 合理施工索力分析

铜陵长江大桥全桥共有144对斜拉索，由南北两个索塔固定，大桥桥面挂索节点横断面的左中右各有一束拉索。同一断面上的三束拉索索力，左右两索稍高，成对称分布，中间拉索索力稍低，以大桥一侧为例，如图9给出了全桥部分中索面斜拉索的分布。按照正装迭代法计算，图10给出了在二期铺装完成后拉索桥面锚固点的竖向位移，计算显示在桥梁各桁架锚固点的竖向位移在中跨段后呈明显的增大趋势。

图9 部分斜拉索分布情况Fig.9 The distribution of partial stayed-cables

图10 上弦竖向位移对比折线图Fig.10 The comparison of top vertical displacements

另一方面，采用设计给出的成桥索力作为初始施工索力进行正装计算，按文献[3]的方法循环迭代计算，当迭代5次后所得成桥索力能够达到设计要求。部分中索各状态计算结果见图11，对结果数据分析可知，正装迭代法计算得到的成桥索力分布合理，将正装迭代法计算得到的成桥索力、和设计索力对比，其偏差均在±5%范围内，证明正装迭代法在施工过程模拟中是有效、准确的。按照正装迭代法计算施工各阶段索力值，对结果数据分析发现，各施工阶段大桥各拉索索力均在安全控制范围内，符合大桥设计要求。

图11 北岸索塔中拉索正装成桥索力与设计索力及相对误差图Fig.11 Relative errors of design tension and cable tension of normal installation bridge in north bank cable tower

3.2 主桁梁内力分析

铜陵长江大桥主桥结构采用Q370q-E钢材制作的钢桁架梁，钢梁的基本容许应力参照《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10002.2-2005）中表3.2.1确定；根据该规3.2.8可知，钢桁梁安装过程主力提高系数为1.20，容许应力值为1.2´[σw]=264MPa；同样根据该规范表4.2.1可知，钢梁运营阶段换算应力容许应力值为1.1´[σw]=242MPa。

按照正装法模拟施工过程，通过计算给出了施工阶段钢桁梁的应力数值（表2），数据显示，由于桥面耦合作用，左、中、右三片钢桁梁上、下弦杆相应部位应力状态各自相同，上弦杆最大压应力为128.3MPa，最大拉应力为97.3MPa，下弦杆最大压应力为173.3MPa，最大拉应力为148.4MPa，而相应部位，边桁架的斜、竖杆应力大于中桁架斜、竖杆的应力，其中边桁斜、竖杆最大压应力为204.1MPa，最大拉应力为204.8MPa，综上，材料能满足设计要求并且具有富余量。

表2 施工阶段主桁最大应力值Table 2 The maximum stress of main truss in construction stage

另外还计算了斜拉桥在运营阶段各荷载组合下主桁最大应力值，结果表明在成桥运营阶段，大桥最不利荷载为荷载组合六，即汽车和列车同时通过时（恒载+1.2汽车荷载+1.4列车荷载），在最不利情况下，大桥钢桁梁上、下弦杆和斜、竖杆的最大应力分别为：弦杆最大压应力为234.50MPa，最大拉应力为154.14MPa，斜、竖杆最大压应力为192.63MPa，最大拉应力为229.11MPa，均满足设计要求且有一定的富余量。

3.3 动力特性分析

在计算铜陵长江大桥自振频率时，为比较桩-土作用对桥梁动力特性的影响，建立了两种桥梁模型。分别模拟桩基并考虑桩-土作用和不模拟桩基，直接在承台底部添加固结边界条件。

由于索塔刚度较小，本桥梁的一阶振型表现为索塔沿桥长度方向，一阶悬臂梁振动，导致主桥表现为纵向漂移；由于桥面横向刚度小于竖向刚度，表现为主梁横向对称挠曲；三阶振型为主梁竖向对称挠曲；此外，桥面扭振在九阶振型中有所体现，图12表示该桥（考虑桩-土作用）典型主振型。

图12 桥梁(考虑桩-土作用)典型主振型Fig.12 Typical principle mode of bridge(combined with pile-soil interaction)

通过计算比较，两种模型前10阶的振型较为一致，而两种模型各阶的自振频率却有所不同，如不考虑桩基，使桥墩、主塔结构约束刚度增大，模拟计算得到的自振频率偏高，并随着阶数的增加，两模型自振频率相差也逐渐增大。因此，在建立全桥模型时，需要考虑桩-土作用对结构动力特性的影响，以便准确获得实际桥梁的动力特性。

4 结论

本文主要介绍了铜陵长江大桥模型建立的具体情况，利用BIM技术建立模型，导入到结构计算软件中进行分析，对全桥施工阶段、运营阶段结构静力和动力特性进行了分析，得到以下结论：

（1）利用BIM技术，建立了铜陵长江大桥结构BIM模型，对主桁、钢桥面板、主塔、桥墩、斜拉索和桩基础进行模拟，并导入到结构计算软件中，分析了该桥的静力、动力特性，对桥梁信息管理和计算分析方法进行了新的探索。

（2）基于正装迭代法，可以得到施工拉索初张力，并且计算得到的正装成桥索力分布合理，其与设计成桥索力误差不超过±5%，符合设计要求；

（3）各施工和运营阶段主桁各杆件受力均在容许应力范围内，满足设计要求且有一定的富余量；在大跨度斜拉桥动力特性计算分析时，需要考虑桩-土作用。

（4）研究表明，通过前期建立BIM模型，导出IFC标准格式，再导入到有限元分析软件中进行结构计算分析，避免多次建模，该标准数据模型还可为后续的施工模拟和造价分析提供可靠的数据，实现一次建模，多次使用，且能够消除建设工程全生命周期中各阶段的信息孤岛。

[1]刘智敏,王英,孙静,等.BIM技术在桥梁工程设计阶段的应用研究[J].北京交通大学学报,2015,39(6):80-84

[2]董春光.大跨度钢桁斜拉桥施工控制关键技术研究[D].广州:华南理工大学,2014

[3]贺栓海.桥梁结构理论与计算方法[M].北京:人民交通出版社,2003:93-99

[4]杨煊,周水兴.斜拉桥施工阶段初张索力计算方法研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(1):32-36

[5]张群,刘沐宇.基于正装迭代法的三塔结合梁斜拉桥计算分析[J].土木工程与管理学报,2011,28(3):212-215

[6]JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2015

[7]TB10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005

[8]万田保,张强.铜陵公铁两用长江大桥主桥设计关键技术[J].桥梁建设,2014,44(1):1-5

[9]胡汉舟,刘自明,秦顺全,等.武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥技术总结[M].北京:中国铁道出版社,2009

BIM Simulation and Computational Analysis of the Yangtze River Rail-cum-Road Cable-stayed Bridge

CHEN Yong-gao,SHAN Hao-liang
Zhejiang Industry Polytechnic College,Shaoxing 312000,China

The structural features on the basis of long span Rail-cum-Road cable-stayed bridges were analyzed that had been constructed in domestic and foreign.The Rail-cum-Road Yangtze Bridge located in Tongling was modeled using BIM technology,and its IFC standard format model was exported.On the basis of the above,the BIM model of the bridge was imported into the structural analysis program,hence its static and dynamic characteristics analysis calculation were carried out in the construction and operation of bridge.The result indicated that the deviation of simulated cable force and designed cable force in completion state was within±5%range.The girder internal force and cable force were all meet the design requirements in the construction stage and in the operation stage.What’s more,the static and dynamic characteristics of the bridge with pile-soil interaction were improved obviously.The research practice can provide referential experience on BIM technology,especially in the area of bridge design,simulation,and dynamic characteristic analysis.

Building Information Modeling;cable-stayed bridge;simulation;computational analysis

U448.27

A

1000-2324(2016)06-0894-06

2016-09-28

2016-11-19

绍兴市科技计划项目（2014B70003）；浙江省住建厅科技项目（2014Z126）；浙江省教育厅项目（Y201432555）

陈永高(1984-),男,硕士,讲师,工程师,研究方向:桥梁施工与健康监测.E-mail:higaoge@163.com