Solid Works设计软件在平口资水大桥双壁钢吊箱围堰设计及施工中的应用

李震，王亚雄

（保利长大工程有限公司，广州 510000）

1 引言

双壁钢围堰相对于单壁钢具有结构刚度大、整体强度高、用钢量大、结构设计复杂的特点，能承受深水压强。不需要设置围檩，内支撑可以直接撑在内壁上，可分块设计、加工。传统施工单位在围堰设计过程中通常使用AutoCAD进行平面图形的绘制，不便于直观展现立体的、复杂的围堰结构，且AutoCAD的3D绘图功能的局限性太大。由达索公司（Dassault Systemes）旗下子公司出品的Solid Works是服务于机械设计的辅助设计软件，该软件有针对型钢加工的设计模块和零件组拼的装配体模块，在设计过程中可以方便地调整设计参数，十分适合对围堰焊接结构设计与优化。因此，拟在平口资水大桥双壁钢吊箱围堰设计和施工中引入Solid Works软件进行深化设计、模拟施工，在施工前做好充足的技术准备，拟订效率最高、最经济的围堰加工和施工方案，推动同类型乃至工程类各项临时钢结构的设计、施工技术的进步。

2 工程概况

官新高速11标平口资水大桥，主桥采用三柱四跨的连续刚构单箱单室预应力钢筋混凝土箱梁结构，全桥总长度为839 m，左右幅分离式设置，刚构桥跨布置为56 m+（90 m）×2+56 m，主桥承台为立方体钢筋混凝土结构，顺桥向长8.5 m，横桥向宽12.6 m，高3.2 m，每个承台由3×2根直径2 m的混凝土桩基础支撑，其中9#、10#墩在同一平面位置，承台顶标高为150 m，承台底比河床高1 m左右，因此，9#、10#墩左右幅共4个承台采用“先桩后围”的施工方案，设置4个双壁钢吊箱围堰进行辅助施工。

平口资水大桥位于湖南省益阳市安化县柘溪水库之中，水库库容量达35.4亿m3，桥址距柘溪大坝上游约70 km左右，同时地处湖南省娄底市新化县龙湾湿地公园内，该湿地公园属于国家级重点水资源保护区。受限于水坝拦截，该水域无法驶入重型起重船舶。资水为湖南四大河流之一，洪峰通常是每年6月初到来，水库为应对每年的洪峰，会在2月份开始开闸放水腾库容，在3月份降至最低149 m左右，直到6月洪峰到来前，水库水位会维持在+156 m以下，一旦汛期到来，暴雨集中，雨水汇集，水位会迅速暴涨至166 m左右。

3 双壁钢吊箱结构优化设计

双壁钢吊箱围堰的主要结构组成有：围堰底板、围堰侧板和内支撑，外侧水压传递顺序由外侧板传导至内支撑，浮力由底板传递至钢护筒。其中，围堰底板由底板龙骨、底板面板和底板加劲肋组成；围堰侧板由前后面板、纵横加劲肋和斜撑组成。围堰内侧板除了与外侧板共同挡水还要承担承台模板的功能。围堰设计总高度为21.9 m，深度较大，底部承受水压力巨大，因此，在侧板内设置竖向加劲肋以加强围堰侧板的竖向刚度。为提高空心侧板的刚度，每隔4~5 m设置一条加劲肋，内支撑受力支撑点均设计在加劲肋上。内支撑为φ630 mm×10 mm螺旋钢管，通过3拼I45型钢分配梁组合在一起[1]。

外侧水压荷载的传递顺序为侧板→加劲肋→分配梁→内支撑，由于水压力从上至下逐渐递增，因此侧板结构设计从上至下由弱到强，从第5层单壁侧板，至第1层的双壁侧板，内部加劲肋由疏至密，避免了上下一致的结构造成的材料浪费，同时也保证了荷载传递的最优化，平均分摊了结构应力。

4 Sol i dWor ks模型建立

围堰初步拟定好尺寸、材料后，根据初步设计利用Solid Works建立焊件零件。围堰零件结构应按现场加工制作流程拆分成零部件，拆分过程中应充分考虑场地条件、运输条件和吊装条件。在最大化利用场地设备的运转能力前提下，尽量减少分块数量，以达到加工质量和场地设备周转的最优化。分块零件设计完成后，通过Solid Works装配体模块将各个零件配合组装，模拟安装顺序和检查构件碰撞，综合比对选出效率最高和经济最为合理的围堰加工及安装方案。

4.1 焊件零件建模

Solid Works中，焊件是指含有多个实体的特殊零件模型，同时焊件库内包括了国标型钢可直接调用。焊件完成设计后可以分解为切割清单，自动生成材料尺寸、数量清单，指导原材料下料，减少不必要的下料浪费，提高经济效益。

最终根据加工场地和转运设备确定每个焊件零件为一个加工单元，每层侧板分3种A、B、C侧板和加劲肋，最大尺寸为4.3 m×5.6 m，最大质量为4.2 t。该分块模式便于加工厂进行标准化加工。

4.2 装配体模拟安装

Solid Works中装配体模块可将不同的零件体通过约束条件组装到一起，模拟围堰构件安装的过程。装配体调整好后进行零配件干涉检查，干涉检查可排查围堰构件在安装过程中可能发生的碰撞问题，根据干涉检查的结果分析可以判断该结构设计在实际施工过程中是否会发生阻挡、碰撞等问题[2]。通过装配体配合过程，可以模拟现场吊装施工过程，确认起吊重量是否在吊车的安全工作曲线范围内。完成组装的装配体文件可另存为STL文件，该格式文件可导入3Dmax等动画制作软件，直接依据模型渲染出现场施工效果图，施工渲染图如图1所示。

图1 吊装模拟

5 深化围堰设计

通过Solid Works建模初步拟定了围堰尺寸和切割清单后，将围堰底板、侧板、内支撑以及封底模型导入有限元分析计算软件Midas civil中，设定围堰吊装、封底混凝土灌注、封底后抽水施工和承台施工4种受力工况。分别需要加载的荷载有：围堰自重、封底混凝土质量、浮力、流水压力。通过对有限元模型受力情况的分析，进一步调整结构中加劲肋角钢的规格、间距，在受力较小位置降低加劲强度，在应力集中的位置，优化结构形状，加强补强型钢。通过浮力平衡计算可得出封底混凝土最小厚度为1.837 m，考虑到水下护筒外表难以保证完全洁净，且由于封底混凝土为水下灌注，难以保证整个混凝土均匀、密实和等高。因此将封底混凝土厚度调整为2.2 m。根据围堰吊装工况地板龙骨的受力情况，综合现场测量所得的护筒倾斜情况，优化了底板龙骨下放吊点斜撑的位置[3]。

根据侧板加劲肋在不同水深的受力情况，优化了加劲肋角钢的布置：第1段3.6 m为单壁侧板，加劲肋为H400型钢，间距1 200 mm布置；第2段3.6 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×12 mm，间距1 200 mm布置；第3段3 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×12 mm，间距1 000 mm布置；第4段1.6 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×12 mm，间距800 mm布置；第5段3.5 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×14 mm，间距700 mm布置；第6段1.6 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×14 mm，间距800 mm布置；第7段3.6 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×16 mm，间距600 mm布置；第8段2.0 m双壁侧板，加劲肋为L200 mm×125 mm×16 mm，间距1 000 mm布置；通过有限元受力分析优化结构，改变了围堰从上至下一刀切的结构设计思路，针对不同受力环境采取不同强度的结构设计和材料，在节约成本的同时保证了结构强度、刚度和稳定性。

6 工程实践

平口资水大桥双壁钢围堰从设计到施工过程中采用Solid Works对双壁钢吊箱围堰进行设计、施工全过程模拟，经过有限元分析软件Midas civil优化设计后，结合3Dmax动画软件进行动态演练，将钢吊箱围堰施工过程进行可视化转换。最终通过方案比选选择其中最为经济合理、安全可靠的施工方案。确定好方案后，通过模型、动画对现场施工技术人员进行交底，使得施工技术人员能直观地了解围堰加工、施工过程。以上方案成功应用于平口资水大桥9#、10#主墩双壁钢吊箱围堰施工。

6.1 围堰加工制作

依据Solid Works装配体焊件清单，进场型钢原材料，并按要求下料。侧板单元块的加工顺序为：加工平台铺设→拼焊单侧面板→点焊安装横向加劲肋角钢→点焊安装竖向加劲肋角钢→补焊加劲肋焊缝→前后两侧面板对扣定位→安装斜撑角钢。围堰加工过程中应严格把关焊接质量，焊缝应由疏至密，严禁顺序焊接，防止面板不均匀受热产生的变形。单元块制作成型后应进行超声波焊缝检测和煤油抗渗试验，验收合格后将各块件依据装配体清单进行编号，加工好的单元件按清单进行验收、入库。

6.2 围堰侧板安装及下放

利用Solid Works装配体模块，对单元块进行模拟拼装，确定好最优安装方案后对现场工人及机械操作手进行施工动画技术安全交底。测量人员根据模型数据转换成坐标后进行现场放样，将轮廓线用石蜡笔划出，依据侧板安装动画顺序进行侧板吊装，侧板安装过程中要求对称、分层拼装。

测量人员复测钢护筒倾斜度后，将数据导入Solid Works装配体模型后，施工技术人员可在装配体中上下平移围堰模型，检查开孔位置与钢护筒的碰撞情况，确认底板开孔位置不会在下放过程中发生孔沿和护筒卡死。

7 结语

本文结合平口资水大桥地处柘溪水库库区和龙湾湿地公园生态敏感区和承台设计要求，采用深水双壁钢吊箱辅助承台施工。引入Solid Works辅助设计软件和Midas civil有限元分析软件对结构进行优化设计，利用3Dmax进行施工现场工序模拟，确定了最终的围堰设计方案：围堰高度为21.9 m，宽度15.4 m，长度11.3 m。经过施工实践证明，平口资水大桥深水承台双壁钢吊箱围堰具有较高的结构强度、刚度及稳定性，足够抵抗设计水深压力，保证承台安全施工。同时，由于提前对施工作业流程的模拟和优化，4个围堰施工从2021年3月1日至2021年5月1日共历时2个月，完成总计1 500 t的围堰安装与下放，较正常施工工期缩短了近40 d，得出如下结论：

1）在水位变化高差大的库区内，利用双壁钢吊箱围堰施工深水高墩承台，可为承台施工提供一个干燥、安全的施工环境，有效提升工程品质；

2）在设计阶段引入Solid Works设计软件和Midas civil有限元分析软件可便于结构调整优化、简化设计，在保证结构强度、刚度和稳定性的前提下优化结构设计，减少用钢量，节约成本，提高设计效率；

3）将Solid Works模型导入3Dmax软件，可模拟现场安装的施工组织，优化施工流程，压缩项目工期，节约人工成本；

4）以Solid Works软件为核心的设计、施工指导思路有效地提高了施工效率，节约了工程成本，提升了工程质量，确保了项目施工安全，为类似工程临时结构设计提供了一个崭新的思路。