基于BIM正向设计的全钢结构斜拉桥塔区锚固构造设计

周晓陵

（南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210019）

1 工程概况

某跨江桥梁跨径为（50+180+500+180+50）m，为独柱形钢塔双索面分体式钢箱梁斜拉桥，效果图及桥型布置图分别如图1、图2所示。主桥钢箱梁宽54.4m，其中两侧人非系统各4.0m，钢箱梁高4.0m；钢索塔高166m，自梁面以上130.7m，塔底截面尺寸为16.0m×9.5m，标准塔节段横截面尺寸为6.0m×6.5m，下塔柱双向曲面过渡到上塔柱。该桥斜拉索采用7mm平行钢丝，最大索长为274.2m[1]；主墩为大型群桩承台基础。该桥为国内首座采用BIM技术正向设计的跨江桥梁。

图1 跨江大桥效果图

图2 跨江大桥桥型布置图（单位：m）

2 塔区锚固构造设计

2.1 斜拉桥塔区锚固构造方式

斜拉桥塔区拉索锚固形式多采用预应力式、钢锚箱或者钢锚梁。预应力式索塔锚固通过在塔壁上设置齿块将拉索荷载传至塔壁，同时通过沿塔壁设置井字形或者U形环向预应力束抵消索塔局部拉应力以防止混凝土塔壁开裂[2]。20世纪90年代，我国大跨斜拉桥基本采用预应力式索塔锚固，如南京长江二桥、润扬长江大桥、军山长江大桥等。钢锚箱锚固形式通过可靠的连接将钢锚箱和索塔固结，通过锚垫板直接承受拉索荷载并扩散至钢锚箱再传至塔壁。此索塔锚固形式适用于空间索面且吨位大的斜拉桥，如厄勒海峡桥、诺曼底大桥、苏通大桥、昂船洲大桥、上海长江大桥、鄂东长江大桥、南京长江三桥等。钢锚梁索塔锚固本身是一个相对独立且稳定的构件，钢锚梁将拉索荷载竖向分离传递至索塔，水平分力由自身平衡。上海闵浦大桥、荆岳长江大桥、舟山金塘大桥等采用了钢锚梁索塔锚固形式。

2.2 钢锚梁构造设计

大桥索塔采用钢结构，全桥共设置16对斜拉索。壁板面外刚度小，为保证壁板不承担或者少承担拉索荷载水平分力，故除0号索塔区锚固采用钢锚箱设计以外，其余15对斜拉索塔区锚固均为钢锚梁形式。钢锚梁整体布置及方位如图3所示。该桥钢锚梁设置在钢索塔的中室内，钢锚梁主要由厚薄垫板、内外腹板、底座板及底梁等主要板件构成，材料为Q345qD。其中厚薄垫板板厚分别为80mm和40mm，内外腹板板厚分别为30mm和50mm，底座板厚度为30mm。与其他斜拉桥钢锚梁通过牛腿和壁板连接的构造不同，该项目钢锚梁通过设置三道不等高底梁与钢索塔纵向腹板连接，将拉索荷载竖向分力传递至腹板，钢索塔腹板采用Q345qD-Z25钢材。三道底梁高度分别为400mm、600mm和800mm，板厚均为40mm，钢锚梁整体构造如图4所示。为增加塔段竖向长度减少节段接缝，该项目塔段采用纵向分块安装，因此钢锚梁纵向也分成两块，塔段分块安装完成后用10.9级M24螺栓将钢锚梁块体连接在一起。钢锚梁底座采用一端固结一端施工期滑动成桥后固结的设计，滑动端错开设置，固定端固结方式采用10.9级M30螺栓[1]。

图3 索塔钢锚梁整体布置与方位示意图（单位：mm）

图4 索塔钢锚梁构造示意图

3 BIM技术正向设计

3.1 BIM正向设计优势

钢锚梁的设计采用传统方式，需要用绘图软件绘制每一个钢锚梁的整体模型，然后量取每个钢锚梁的参数，如板件角度、板单元尺寸等。对于空间索面钢锚梁，绘制模型和采集参数则更加烦琐也更容易出错，同时更改模型也需要较大工作量。如采用BIM正向设计，只需建立一个钢锚梁模型和其对应的二维图纸，称此模型及其二维图纸为模板，钢锚梁中变化的数据，包含单个钢锚梁中自身可变的数据和钢锚梁之间不同取值的数据，均在模板中设置为可变参数[3]。通过BIM软件的实例化功能，得到所有钢锚梁的模型和二维图纸。采用BIM技术正向设计钢锚梁，无需花大量时间建立三维模型和二维图纸，同时模型局部调整快速方便且不会出错。

3.2 钢锚梁BIM正向设计

以下为钢锚梁BIM正向设计的简要过程。

从整体设计中获取塔区锚点坐标和斜拉索出塔点坐标，以这两个坐标作为输入条件，预先设置好每个钢锚梁的参数如板厚、整体高度、螺栓位置及其数量、手孔大小等，并设置在一张表格中。利用模板实例化其他钢锚梁时候只需选取相应的塔区锚点和出塔点以及参数表格中相应的行，就可以得到相应的钢锚梁模型及其二维图纸，钢锚梁模型及其图纸如图5和图6所示。如后期需要更改单个钢锚梁的局部数据，只需要在参数表格中更新相应数据即可。如果需要对钢锚梁构造进行更改，则需要对模板进行更改，重新实例化其他钢锚梁模型及其二维图纸。

利用BIM技术正向设计得到的模型精度高，板单元大样精确，同时可以在二维图纸上表示出三维等轴测图，使制造单位对钢锚梁的构造有最直观的了解。但是也存在由于软件本身功能限制造成的焊缝标注不足等缺点。

图6 索塔钢锚梁图纸（单位：mm）

4 钢锚梁BIM模型与有限元计算关联

4.1 BIM正向设计模型和有限元计算关联流程

传统设计中，用于局部计算的几何模型需要单独建立，如果板厚需要调整或结构尺寸需要变化，几何模型就要重新建立。利用BIM技术建立了施工图几何模型，对于板厚的调整或者尺寸的变化只需调整相应参数，与之关联的参数如其他板件尺寸、空间位置均自动调整。不仅节约了几何模型的建模时间，同时保证了几何模型的准确性。BIM模型与有限元计算模型关联的过程如图7所示。

图7 钢锚梁BIM模型与有限元计算关联过程示意图

4.2 钢锚梁有限元计算

单个塔标准节段中包含两个钢锚梁，钢锚梁板件数量多且集中，限于个人计算机的处理能力，无法将板与板的相交处单元进一步细化，故进一步采用子模型技术分析应力集中处。文章只给出粗模型计算结果，故应力集中点较多。此外，锚梁的整体应力水平符合要求，大部分均处于170MPa以下，内外腹板及垫梁应力云图如图8和图9所示。

从图8、图9可以得出，除应力集中点以外，钢锚梁应力水平在170MPa以下，应力水平满足规范要求。

5 结论和展望

（1）利用BIM技术进行钢锚梁的正向设计提高了设计效率和品质，为后续钢结构尤其是空间复杂钢结构提供了新的设计方式。

（2）将BIM正向设计的钢锚梁模型和有限元计算结合起来是合理可行的，同时较大减少了模型重复修改的工作。

图8 钢锚梁内腹板（上）和上腹板（下）总体应力图（单位：MPa）

图9 钢锚梁底梁应力图（单位：MPa）

（3）BIM正向设计的几何模型和有限元计算结合目前还是手动操作，如何自动判别计算结果的合理性并主动反馈给BIM软件以进行针对性的调整有待研究。