基于BIM的钢桁架焊接节点力学分析

王立国,郭建华,元 宇,张 强

(1. 江苏省交通运输厅公路局，南京 210004； 2. 东南大学，南京 210096；3. 中设设计集团股份有限公司，南京 210014； 4. 南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016)

建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)技术以建设项目的各项数据信息为基础，建立三维模型并模拟仿真建筑物所具有的真实信息，同时在建筑物全生命周期中提供信息共享资源[1]。

传统有限元方法在结构分析和设计中，一般只细化到构件层次，而且构件用有限单元表示，将实际工程的节点视为一个点，较少考虑节点的形状尺寸。在实际的工程设计中，是基于计算假定来对结构进行整体分析及强度计算的，对具体节点则缺乏相对深入的计算分析。大型钢桁架桥梁构件类型多、节点细部构造较复杂。而且复杂节点的破坏可以引起整体结构的破坏，因此，对于复杂节点应力的计算便显得十分重要。麻宏波等利用有限元程序Midas对大跨预应力钢栈桥的锚固节点进行分析，通过对不同加劲肋形式的比较，计算出结构在张拉力作用下节点处的应力分布及扩散，从而得出较合理的节点形式[2]；黄平明等采用通用有限元程序对节点处的应力分布进行了分析，结果表明只要构造合理，就能保证节点应力分布均匀，满足规范限值要求[3]；施菁华等利用ANSYS软件对销轴、节点板和杆件的受力状态进行数值模拟，分析节点的内力分布规律及节点的传力机理[4]。以上研究多采用单一的有限元软件进行计算，均没有建立BIM模型。在节点结构优化和强度分析中，需重复建立对应的节点模型，此外，在缺乏整体模型力学计算的基础上，节点模型的边界条件难以获取，导致计算效率较低，计算结果容易失真。当然，也有学者利用建立的桥梁BIM模型，对整桥进行计算分析，如陈永高等利用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、动力特性进行计算分析，但没有分析到局部构造节点[5]。

钢桁架桥因其上部结构形式较单一，适合参数化设计、模块化建造。对于一些复杂的局部节点，利用CATIA建出模型后，可以将某一节点段隔离并导出，然后通过软件间接口导入ABAQUS中进行计算，根据计算结果判断节点的设计是否合理，若不合理，则重新调整节点几何参数进行再次验算。基于BIM模型节点参数化设计，当某一尺寸改变时，三维模型自动更新。这种做法的好处是可以直接利用BIM模型进行计算，省去了在有限元软件中反复建模的过程，为建模和计算之间的连接提供了一种新的思路，拓展了BIM模型的功能[6]。本文在钢桁架BIM模型的基础上，进行整桥及节点受力分析。

1 项目概况

昌荣大桥位于兴化市，全长318.36 m，主桥采用74 m(计算跨径)单跨简支钢桁梁，两侧引桥分别采用5×20 m及7×20 m空心板梁，材料采用Q345钢，图1为昌荣大桥效果图。

图1 昌荣大桥效果图

该桥在整个项目中处于核心地位，直接影响到项目的进展。因此，昌荣大桥在设计、施工和运维等整个寿命周期使用BIM模型进行统一管理，提高了设计效率以及施工养护管理水平。本文以昌荣大桥为例，在大桥BIM模型的基础上，通过数据接口程序将BIM中的数据导入MIDAS进行大桥整体受力分析，得到杆件的应力；将BIM模型的数据导入ABAQUS建立节点模型，并将MIDAS分析得到的杆件内力作为边界条件赋予节点模型，分析钢桁架的节点受力状况，具体过程如图2所示。

图2 节点分析过程

2 BIM建模

建模是BIM技术中最基础也是最重要的部分，昌荣大桥采用CATIA建立模型。由于桥梁模型的建造工作量大，需要多个设计人员协同工作，因此，采用“骨架+模板”的方式进行建模。在建模过程中保持骨架线的相互关联，局部构建之间相互独立，方便后期改动。

CATIA在产品中新建或者插入产品或零部件时，即在产品与产品或零部件中建立了一个instance关联，该关联能够直接调用该产品或零部件。根据钢桁架桥的基本组成部分和instance关联的特性，将模型分为桥梁骨架及子模型构件。在钢桁架桥骨架中建立桥梁节点、桥梁中心面等构成桥梁骨架的关键点、线、面等因素。之后，建立参数化构件模板，通过尺寸的约束对几何形状进行精确控制，最后，通过建立的桥梁骨架为基准将各子构件插入对应位置。图3为CATIA建立的桥梁模型。

由于桥梁中存在大量不同类型的节点，为便于建立节点库，本文对前半桁架节点进行了编号，如图4所示。各节点位置不同，其包括的子部件也不同，如E0节点部件由6个子部件组成，E2节点部件由9个子部件组成。根据图纸将刚桁架桥各模块参数化，尽量把构件的形状和尺寸约束联合起来考虑，通过尺寸的约束实现对几何形状的精确控制。图5为所建节点库的部分节点。

图3 钢桁架桥模型

虽然桥中心段一般弯矩最大，但中部节点处主要承受拉力，相对安全。而两边端点处与下部实体固定，由于限制了节点位移导致节点处受力较大，所以本文选择E0节点为细部分析的节点。

图4 前半桁架节点编号图

(a) E0节点

(b) E2节点

(c) X型节点

3 整体力学分析

为正确分析钢桁架的节点受力状况，必须得到与节点相联结的各杆件内力，并以此作为节点分析的边界条件。在桥梁BIM模型的基础上，通过数据接口程序将BIM中的数据导入MIDAS进行大桥整体受力分析，可以得到杆件的内力。

昌荣大桥钢桁架单元之间连接方式为焊接，单元之间可以传递弯矩，所以在MIDAS建模时采用梁单元进行建模。分析中采用两种荷载工况。

工况Ⅰ：结构自重+桥面二期恒载；

工况Ⅱ：恒载、风载、温度以及汽车制动作用下该节点处应力最大情况。

与E0节点相连接的杆件分别为1号杆、2号杆和3号杆(如图5(a)所示)。经MIDAS计算之后，可以将1号杆、2号杆和3号杆的内力及弯矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz导出。表1为工况Ⅰ节点处的力与弯矩，表2为工况Ⅱ各杆件的力与弯矩。

4 节点力学分析

4.1 节点构造

在钢桁架桥梁中，荷载通过桥面传给纵梁，由纵梁传给横梁，由横梁传给主桁节点，然后传给支座、墩台及基础。根据圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，对远离荷载作用区的位置影响不大。E0节点位于刚桁架桥两端，主要由三根杆件构成，是荷载由桥传到支座的关键点，由于E0节点具有以上特性，下面对E0节点进行分析。图6为E0节点构造图，斜腹杆与下弦杆用大节点板将两端焊接，大节点板板厚36 mm，斜腹杆与下弦杆均采用空心杆，斜腹杆板厚28 mm，下弦杆板厚20 mm。在节点侧面，下平纵联斜杆使用较小的节点板与前者连成一个整体，大小节点板间焊接部分长度分别为240 mm、320 mm。图7为3号杆优化前后的截面尺寸。

4.2 节点建模

节点模型根据钢桁架桥实际尺寸采用CATIA建立，从建好的CATIA模型提取节点部件导入ABAQUS，由ABAQUS前处理模块对提取的部件进行简化，达到便于施加荷载及边界条件的预期。节点保留部分由7.4 m长下弦杆、5.6 m斜腹杆以及3.8 m长下平纵联斜杆组成。采用八结点线性六面体单元(C3D8R)对钢节点和各杆件进行网格划分，划分网格情况如图8所示，节点处共划分实体单元12 550个。

表1 工况I各杆的力与弯矩

表2 工况Ⅱ各杆的力与弯矩

(a) 平面图 (b) 正面图

(a) 原截面尺寸 (b) 加厚截面尺寸

图8 网格划分

4.3 计算参数及荷载工况

钢桁架桥采用材料为Q345qD钢，密度为7.85 kg/m3,杨氏模量E=2.1×108kg/m2，泊松比为0.3。计算中采用线弹性模型，将MIDAS提取的各杆内力与弯矩(如表1、2所示)作为部分边界条件，节点底面加入固定位移约束。分析中采用两种荷载工况(工况Ⅰ和工况Ⅱ)。

4.4 节点应力计算与分析

4.4.1 节点应力

图9为工况Ⅰ与工况Ⅱ作用下节点应力云图。由图9可见，节点与1号杆相连处出现应力集中，最大应力达到77.7 MPa。施加动载之后，节点与1号杆、3号杆相连处都出现了应力集中，其中，节点与3号杆相连部位受力明显加大，最大值达到95.3 MPa。该钢桥采用钢材厚度在12～32 mm之间，此时Q345钢的屈服强度为205 MPa，两种工况下最大应力均小于屈服应力的一半，所以结构满足安全的要求。

另外，在工况Ⅰ作用下节点与2号杆相连处的应力峰值为33 MPa，为节点处应力最大值的一半左右。施加动载之后节点与2号杆相连处应力峰值为37 MPa，相比工况Ⅰ数值增量很小，说明在工况Ⅱ作用下2号杆是此节点中最安全的梁。

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

4.4.2 1号杆应力

图10为工况Ⅰ与工况Ⅱ作用下1号杆应力云图。由图10可见，在工况Ⅰ作用下节点与1号杆相接处受力最大，最大应力主要分布在1号杆四条边与梁板相连处。所以在1号杆四条棱边与板接触处可以适当加厚以保证安全。由图10(b)可见，在施加动载作用后1号杆应力增加并不明显，最大值只比自重作用下增大了不到10 MPa，增加到87 MPa，因此，桥建成之后的动载并不会对1号杆造成太大影响。

4.4.3 3号杆应力

图11为工况Ⅰ与工况Ⅱ作用下3号杆应力云图。由图11可见，在工况Ⅰ作用下3号梁的应力峰值为30.4 MPa，而施加动载之后3号杆应力峰值增加到了95.3 MPa，数值增加比较明显。

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

考虑到3号杆应力集中较为明显，可以将其加厚处理，各面加厚4 mm(如图7(b)所示)。2号杆较为安全，尝试对其进行减薄处理，厚度减小4 mm。

经过MIDAS的整体计算和ABAQUS的局部计算，3号杆的优化计算结果如表3所示。由表3可见，在将板厚增加到16 mm后，3号杆应力峰值降低到了78.5 MPa，与自重作用下3号杆应力峰值相差很小，安全性大幅提高，且通过应力云图提取发现，1号杆应力峰值为84.7 MPa，2号杆应力峰值为43.5 MPa，3号杆应力峰值为78.5 MPa，各杆件峰值基本相同，节点处更加安全。

对于E0节点，在加厚3号杆减薄2号杆过程中，3号杆用钢增加237.43 kg，2号杆用钢减少1 053.8 kg，节省钢材816.37 kg。经过构件尺寸优化，既保证了安全性，又节省了钢材。

表3 优化计算结果

5 结论

本文基于BIM模型，提出了一种避免重复建模、提高工作效率的复杂节点有限元计算方法。通过MIDAS整体计算和ABAQUS局部计算，对昌荣桥E0节点，分别进行了在恒载、恒载加活载作用下节点的应力计算，得到了其应力分布情况，并得出以下结论：

(1) 在BIM模型的基础上，通过MIDAS整体计算和ABAQUS局部计算，可以高效计算大型钢桥复杂节点的应力分布。

(2) 只要构造合理，无论在恒载还是恒载加活载的作用下，节点处最大应力均远小于屈服应力，满足规范要求。但在3号杆以及1号杆四条边与节点板相连处都出现了一定的应力集中现象，疲劳破坏最有可能从这些地方产生。

(3) 在工况Ⅱ作用下，节点与3号杆联结处应力最大，达到95.3 MPa；节点与2号杆联结处应力最小。通过优化，将3号杆板厚度增加，2号杆厚度减小，可以在不降低结构安全性的条件下节省材料用量。