長江公鐵斜拉橋BIM模擬與計算分析

陳永高,單豪良

浙江工業職業技術學院,浙江紹興312000

長江公鐵斜拉橋BIM模擬與計算分析

陳永高,單豪良

浙江工業職業技術學院,浙江紹興312000

在總結分析國內外已建大跨度公鐵兩用斜拉橋結構特征的基礎上，利用BIM技術對銅陵公鐵兩用長江大橋進行建模，導出為IFC標準格式，并導入到結構分析軟件中，對其靜、動力特性進行了計算分析，并詳細介紹了大橋計算分析過程中的重點和難點，包括準確模擬橋面系結構、樁-土作用以及確定施工索力等。計算結果表明：模擬成橋索力與設計成橋索力相對誤差均在±5%范圍內；施工階段和運營階段主桁應力及索力均滿足設計規范要求；考慮樁-土作用的大跨度橋梁結構體系動力特性明顯優于無樁-土作用的橋梁結構體系。BIM技術在橋梁工程上的應用、建模及計算方法和結果可為同類橋梁的設計、分析提供參考。

建筑信息模型；斜拉橋；模擬；計算分析

在橋梁的設計階段，由于設計和出圖工作量很大，利用傳統的圖紙表達方式，不僅工作繁雜，而且容易出錯。另外，橋梁設計與施工工藝環節聯系緊密，如果能在設計階段提前把橋梁的施工和運營過程模擬出來，就可以基本避免實際施工和運營中出現的一系列問題[1]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）能夠集成建設項目的實體和功能相關信息，并有機關聯這些信息，提供虛擬實境模型，降低工程信息的遺漏和以及顯示不直觀的問題。其能夠解決工程數據之間的一致性和全局共享問題，支持建筑全生命期動態的工程信息，包括構件材料、力學性能、施工資源等許多其他信息，具有可視性、可模擬性等特點。能夠實現一次建模，多次使用，并納入協同工作的理念。

由于大跨公鐵兩用斜拉橋施工工序多，施工工藝復雜，且隨著施工階段的不斷推進，斜拉橋的結構體系、荷載工況、約束條件、材料性能等都在不斷變化，為了模擬橋梁施工及運營階段狀態和明確各個階段全橋結構內力和變形情況，并確保大跨度公鐵兩用斜拉橋的運營安全，對橋梁進行BIM建模和模擬，并對結構靜力和動力進行計算分析是很有必要的。

以主跨630m的銅陵公鐵兩用長江大橋為工程背景，通過BIM軟件Revit建立了全橋模型，并通過IFC標準格式導入到結構計算軟件中，分析研究了該橋的靜力、動力特性，并詳細介紹了大跨度斜拉橋建模過程中的重點和難點，保證了計算分析結果的準確性。

1 工程概況

銅陵公鐵兩用長江大橋位于安徽省銅陵市銅官山河段，是合福鐵路跨越長江的重要通道，大橋主橋全長為1290 m，主跨630 m，跨徑布置為(90+240+630+240+90)m的五跨連續鋼桁梁三索面斜拉橋，單孔雙向通航,主塔為鉆石型混凝土塔，塔高212 m，采用鋼絞線斜拉索。此橋為公鐵兩用橋，上層為雙向六車道公路，下層為四線高速鐵路，其主橋結構布置如圖1所示。

主梁為板桁結合鋼桁梁，N型桁架，主桁總寬度為34.2 m，橫斷面采用三片主桁的型式，桁寬2×17.1 m，桁高15.5 m，節間長度15 m，共86個節間。上、下弦桿設計時均考慮板桁共同作用，弦桿、豎桿、斜桿共采用140種截面類型。

鋼梁主桁采用桁片式設計，桁片鋼梁長度30 m，單片最大重量約330 t。上弦桿高約1.3～1.592米，下弦桿高約1.62 m，桿件寬為1.6 m，斜桿和豎桿采用箱形或工字型截面。主桁節點采用焊接整體節點，節點外拼接，斜拉索錨固于主桁上弦節點。

圖1 銅陵長江大橋主橋結構布置圖(單位:m)Fig.1 The main bridge structure layout of Tongling Yangtze River Bridge(unit:m)

主塔總高度為212m，采用C50混凝土結構，箱型截面。上塔柱順橋向寬度均為9.6m；從中塔柱頂部開始，塔柱順橋向寬度由9.6m漸變至下塔柱底為16m。上塔柱采用單箱三室結構，中塔柱、下塔柱及下橫梁采用單箱單室結構。在中塔柱與上、下塔柱交接處設置倒角。下橫梁采用單箱單室結構，并在主桁支承點處設置三道隔墻。

拉索采用三索面鋼絞線斜拉索，共有38種拉索編號(兩塔對稱布置，每個索編號包含1根中索和2根邊索)，索編號由主桁與橋塔支點往邊墩方向依次為S1～S19，往中跨跨中方向依次為M1～M19。

2 全橋BIM模擬過程

為了模擬銅陵長江大橋的施工情況及確定其在運營過程中的靜、動力特性，本文先采用BIM技術建立模型（此模型在設計、施工、運營階段均可通用），然后導入到結構有限元分析軟件中，在充分考慮計算精度和計算耗時等因素的基礎上，分兩個層次，優化了全橋有限元模型和局部構件精細化有限元模型。主桁梁、索塔和橋墩采用空間梁單元模擬。對于公路、鐵路橋面采用空間板梁法（即等效板單元和梁單元）共同模擬，斜拉索采用改進后的等效彈性模量法，用空間桁架單元對斜拉索進行模擬。

圖2 全橋結構BIM模型Fig.2 BIM model with full-bridge structure

以下將重點圍繞全橋模型關鍵部位的模擬情況進行詳細介紹。

2.1 主桁模擬

對于大多數的鋼桁梁斜拉橋，一般采用兩片主桁，而銅陵長江大橋采用了三片主桁梁，主桁受力更加復雜，中桁與邊桁存在不同的截面形式，針對主桁梁的受力和構造特點，采用梁單元進行模擬。由于鋼桁梁節間長度15米，且每3米有一道橫隔梁，故上、下弦桿每3米長劃分一個單元。主桁模型如圖3所示。

2.2 正交異性鋼橋面板模擬

銅陵長江大橋橋面系為正交異性鋼橋面板結合梁體系，由縱向U形縱肋、縱橫梁、蓋板組成。為準確模擬銅陵長江大橋的實際情況，對正交異性鋼橋面板結構進行計算分析，將縱肋均攤到蓋板上，從而將正交異性鋼橋面板比擬為構造正交異性板來進行計算分析。為了保證計算精度，將橋面BIM模型導入計算軟件，形成完全模擬實際橋面系的結構模型，然后用長0.75米，寬約0.65米的板單元劃分蓋板，用與板單元共節點的梁單元劃分U形肋、縱梁和橫梁形成橋面板的計算模型，如圖4所示。

圖3 主桁模型圖Fig.3 Main girder model

圖4 橋面系模型圖Fig.4 Deck system model

2.3 主塔、橋墩和樁基礎模擬

主塔采用梁單元進行模擬，由上、中、下塔柱和下橫梁四部分組成。根據施工過程及拉索區位置將主塔劃分單元，橋墩建模時是考慮變截面及施工過程來劃分單元的，依然采用梁單元進行模擬。樁基礎依據樁-土作用力劃分單元。主塔模型見圖5所示，塔梁局部模型見6所示。

圖5 主塔模型圖Fig.5 Main column model

圖6 塔梁局部模型圖Fig.6 Partial model of column girder

2.4 斜拉索模擬

斜拉索的模擬建模過程中多采用等效彈性模量法。用空間桁架單元對斜拉索進行模擬，對于大跨度長斜拉索來說，由于其垂度帶來的非線性問題是我們不得不考慮的問題，通過理論驗證，可以通過用Ernst公式對空間桁架單元的彈性模量進行修正來近似解決[2]。建立的模型如下：

圖7 斜拉索模擬Fig.7 Simulation of flow around stay cables

2.5 樁-土作用模擬

處理樁-土-結構相互作用時，土壤的非線性特征是控制土動力作用的重要因素。利用有關土-結構相互作用中主要非線性和次要非線性的概念，并結合樁基橋梁的具體情況，模型采用土彈簧模擬樁-土作用，在結構分析軟件中采用“節點彈性連接”模擬樁-土作用，模擬效果見圖8所示。

圖8 樁-土作用模擬圖Fig.8 Simulated diagram of pile-soil interaction

2.6 荷載組合工況

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）及《鐵路橋涵設計基本規范》（TB10002.1-2005）的規定，本文計算分析主要考慮以下荷載組合，如表1所示。

表1 各荷載工況組合表Table 1 Combination of loading cases

3 計算結果分析

3.1 合理施工索力分析

銅陵長江大橋全橋共有144對斜拉索，由南北兩個索塔固定，大橋橋面掛索節點橫斷面的左中右各有一束拉索。同一斷面上的三束拉索索力，左右兩索稍高，成對稱分布，中間拉索索力稍低，以大橋一側為例，如圖9給出了全橋部分中索面斜拉索的分布。按照正裝迭代法計算，圖10給出了在二期鋪裝完成后拉索橋面錨固點的豎向位移，計算顯示在橋梁各桁架錨固點的豎向位移在中跨段后呈明顯的增大趨勢。

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

圖10 上弦豎向位移對比折線圖Fig.10 The comparison of top vertical displacements

另一方面，采用設計給出的成橋索力作為初始施工索力進行正裝計算，按文獻[3]的方法循環迭代計算，當迭代5次后所得成橋索力能夠達到設計要求。部分中索各狀態計算結果見圖11，對結果數據分析可知，正裝迭代法計算得到的成橋索力分布合理，將正裝迭代法計算得到的成橋索力、和設計索力對比，其偏差均在±5%范圍內，證明正裝迭代法在施工過程模擬中是有效、準確的。按照正裝迭代法計算施工各階段索力值，對結果數據分析發現，各施工階段大橋各拉索索力均在安全控制范圍內，符合大橋設計要求。

圖11 北岸索塔中拉索正裝成橋索力與設計索力及相對誤差圖Fig.11 Relative errors of design tension and cable tension of normal installation bridge in north bank cable tower

3.2 主桁梁內力分析

銅陵長江大橋主橋結構采用Q370q-E鋼材制作的鋼桁架梁，鋼梁的基本容許應力參照《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB 10002.2-2005）中表3.2.1確定；根據該規3.2.8可知，鋼桁梁安裝過程主力提高系數為1.20，容許應力值為1.2′[σw]=264MPa；同樣根據該規范表4.2.1可知，鋼梁運營階段換算應力容許應力值為1.1′[σw]=242MPa。

按照正裝法模擬施工過程，通過計算給出了施工階段鋼桁梁的應力數值（表2），數據顯示，由于橋面耦合作用，左、中、右三片鋼桁梁上、下弦桿相應部位應力狀態各自相同，上弦桿最大壓應力為128.3MPa，最大拉應力為97.3MPa，下弦桿最大壓應力為173.3MPa，最大拉應力為148.4MPa，而相應部位，邊桁架的斜、豎桿應力大于中桁架斜、豎桿的應力，其中邊桁斜、豎桿最大壓應力為204.1MPa，最大拉應力為204.8MPa，綜上，材料能滿足設計要求并且具有富余量。

表2 施工階段主桁最大應力值Table 2 The maximum stress of main truss in construction stage

另外還計算了斜拉橋在運營階段各荷載組合下主桁最大應力值，結果表明在成橋運營階段，大橋最不利荷載為荷載組合六，即汽車和列車同時通過時（恒載+1.2汽車荷載+1.4列車荷載），在最不利情況下，大橋鋼桁梁上、下弦桿和斜、豎桿的最大應力分別為：弦桿最大壓應力為234.50MPa，最大拉應力為154.14MPa，斜、豎桿最大壓應力為192.63MPa，最大拉應力為229.11MPa，均滿足設計要求且有一定的富余量。

3.3 動力特性分析

在計算銅陵長江大橋自振頻率時，為比較樁-土作用對橋梁動力特性的影響，建立了兩種橋梁模型。分別模擬樁基并考慮樁-土作用和不模擬樁基，直接在承臺底部添加固結邊界條件。

由于索塔剛度較小，本橋梁的一階振型表現為索塔沿橋長度方向，一階懸臂梁振動，導致主橋表現為縱向漂移；由于橋面橫向剛度小于豎向剛度，表現為主梁橫向對稱撓曲；三階振型為主梁豎向對稱撓曲；此外，橋面扭振在九階振型中有所體現，圖12表示該橋（考慮樁-土作用）典型主振型。

圖12 橋梁(考慮樁-土作用)典型主振型Fig.12 Typical principle mode of bridge(combined with pile-soil interaction)

通過計算比較，兩種模型前10階的振型較為一致，而兩種模型各階的自振頻率卻有所不同，如不考慮樁基，使橋墩、主塔結構約束剛度增大，模擬計算得到的自振頻率偏高，并隨著階數的增加，兩模型自振頻率相差也逐漸增大。因此，在建立全橋模型時，需要考慮樁-土作用對結構動力特性的影響，以便準確獲得實際橋梁的動力特性。

4 結論

本文主要介紹了銅陵長江大橋模型建立的具體情況，利用BIM技術建立模型，導入到結構計算軟件中進行分析，對全橋施工階段、運營階段結構靜力和動力特性進行了分析，得到以下結論：

（1）利用BIM技術，建立了銅陵長江大橋結構BIM模型，對主桁、鋼橋面板、主塔、橋墩、斜拉索和樁基礎進行模擬，并導入到結構計算軟件中，分析了該橋的靜力、動力特性，對橋梁信息管理和計算分析方法進行了新的探索。

（2）基于正裝迭代法，可以得到施工拉索初張力，并且計算得到的正裝成橋索力分布合理，其與設計成橋索力誤差不超過±5%，符合設計要求；

（3）各施工和運營階段主桁各桿件受力均在容許應力范圍內，滿足設計要求且有一定的富余量；在大跨度斜拉橋動力特性計算分析時，需要考慮樁-土作用。

（4）研究表明，通過前期建立BIM模型，導出IFC標準格式，再導入到有限元分析軟件中進行結構計算分析，避免多次建模，該標準數據模型還可為后續的施工模擬和造價分析提供可靠的數據，實現一次建模，多次使用，且能夠消除建設工程全生命周期中各階段的信息孤島。

[1]劉智敏,王英,孫靜,等.BIM技術在橋梁工程設計階段的應用研究[J].北京交通大學學報,2015,39(6):80-84

[2]董春光.大跨度鋼桁斜拉橋施工控制關鍵技術研究[D].廣州:華南理工大學,2014

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[6]JTGD60-2015公路橋涵設計通用規范[S].北京:人民交通出版社,2015

[7]TB10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005

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[9]胡漢舟,劉自明,秦順全,等.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋斜拉橋技術總結[M].北京:中國鐵道出版社,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

紹興市科技計劃項目（2014B70003）；浙江省住建廳科技項目（2014Z126）；浙江省教育廳項目（Y201432555）

陳永高(1984-),男,碩士,講師,工程師,研究方向:橋梁施工與健康監測.E-mail:higaoge@163.com