橫向非對稱鋼拱橋設計及BIM 應用

李 杰

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

本項目位于浙江省，緊鄰新建工程上游為現狀舊橋，舊橋建于20 世紀八十年代末期，至今已經運營30 多年，為雙向2 車道橋梁。隨著城市發展，交通流劇增，舊橋所在路段經常發生擁堵。為了解決城市核心區過江交通擁堵問題，擬在現狀舊橋下游新建半幅橋梁，即本項目的新建橋梁工程（如圖1 所示）。

圖1 項目效果圖

新建橋梁采用跨徑為176 m 的下承式鋼箱拱橋，拱高50 m 左右，橋面寬度22.5～23.1 m。縱橋向支座間距170 m，橫橋向支座間距為18 m。主拱為八邊形鋼箱拱，拱腳斷面尺寸4.5 m（高）×2.2 m（寬），拱頂斷面尺寸為2.5 m（高）×2.2 m（寬），拱軸線為1.7 次拋物線。主梁采用分離式雙箱系梁形式，系梁標準段斷面尺寸為2.5 m（高）×2 m（寬）。全橋共26 對吊索，吊桿下錨點間距為6 m，上錨點間距4 m。橋梁總體布置如圖2、圖3 所示。

圖2 主橋立面圖（單位：m）

圖3 主橋斷面圖（單位：m）

2 設計流程

設計流程如圖4 所示。

圖4 設計流程圖

3 橋梁體系設計

本橋為新建半幅橋梁，遠期上游舊橋拆除后建設另外半幅橋梁。新建橋梁單側設置人行通道，通過懸挑的形式與主梁相連，作為景觀慢行系統方便行人從橋頭下方上橋。懸挑人行道的設置使得主橋為橫向非對稱結構。另外疊加主拱線型、吊桿布置間距和橋梁整體造型等因素，使得本橋結構體系較為復雜，同類型橋梁設計案例非常少，需要進行開創性的特殊設計。主橋計算模型如圖5 所示。

圖5 主橋計算模型

3.1 鋼拱橫偏設計

由于懸挑人行道的存在，橋面系承受的恒載和活載在橫橋向非對稱，導致主拱必須在橫向進行非對稱布置才能使整體結構受力最優。分別將主拱設置成橫偏0 m（對稱布置）、1 m、2 m、4 m、6 m、7.562 5 m（內拱豎直）六種情況進行分析，如圖6 所示。

圖6 主拱橫偏距離（對稱布置→內拱豎直）

（1）反力對比

本橋采用外部靜定結構體系，邊界條件約束方式見圖7。1 號為固定支座，2 號、4 號為單向活動支座，3 號為雙向活動支座。其中1-4 側為懸挑人行道側，即外側。支座布置如圖7 所示。

圖7 邊界約束條件

支座反力計算結果見表1、表2。

表1 恒載作用下各支座反力統計

表2 標準組合作用下各支座反力統計

支座選取時最大反力為21 263×1.1=23 389 kN，因此選取25 MN 的支座型號。支座水平承載力選取20%，即5 000 kN，大概可以適用橫偏3 m 范圍內的方案。

（2）變形對比

根據計算結果，恒載作用下關鍵位置處位移見表3。

表3 恒載作用下關鍵位置處的位移統計

隨著橫偏值增大，拱頂位置處橫向往外側位移值逐漸減小，主拱1/4 位置處在橫偏1～2 m 時會反凸，系梁跨中位置處內凸值越來越大。綜合考慮，主拱在橫偏1～2 m 時，主要位移指標是較優的取值范圍。

（3）應力趨勢對比

根據計算結果，恒載作用下關鍵位置處應力見表4、表5。

表4 恒載作用下關鍵位置處的應力統計 單位：MP a

表5 基本組合作用下關鍵位置處的應力統計 單位：MP a

隨著橫偏值的增大，左右系梁的應力差越來越大，左右主拱的應力差越來越小。綜合考慮，兼顧主拱和系梁的受力，橫偏1～2 m 是較優的方案。

（4）小結

綜合考慮上述三個方面，經過詳細設計，本橋主拱最終采用橫偏2 m 的設計方案。

3.2 橋面體系設計

目前鋼拱橋橋面系一般有兩種體系：組合橋面板和鋼橋面板。此兩種體系在一般鋼拱橋中各有優劣，對比表見表6。

表6 兩種體系優劣對比

但是本橋為非對稱結構，該特殊性導致施工過程中主要結構受力會有比較大的不同。

（1）組合橋面板體系

組合橋面板體系的施工步驟如下：

搭設少支墩支架→吊裝系梁節段、橫梁節段和小縱梁節段，形成網格結構→拱圈轉體施工→安裝預制橋面板，第一次張拉吊桿→拆除橋下支架→澆筑橋面板濕接縫，施工鋪裝層→安裝欄桿等，第二次張拉吊桿→成橋通車。

組合橋面板系桿拱橋為了減小混凝土橋面板內的軸力，一般在施工時吊桿張拉先于混凝土橋面板形成整體，這樣系梁不能形成整體協同受力體系，會導致系梁產生橫向彎曲，進而造成內外側系梁應力沿縱向分布非常不均，如圖8 所示。

圖8 吊桿張拉后系梁橫向應力圖（單位：MP a）

由圖8 可以看出，系梁在吊桿橫向水平分力的拖拽下，系梁端部應力為190 MPa，跨中應力為-75 MPa，應力分布非常不均。這是由于吊桿張拉時，橋面板還未施工，橋面系統在橫向還未形成整體，非對稱結構下吊桿存在水平分力，造成系梁橫向彎曲。

（2）鋼橋面板體系

鋼橋面板體系施工步驟：

搭設少支墩支架→吊裝系梁、橫梁、橋面板等形成整體→拱圈轉體施工→安裝并張拉吊桿→施工橋面系附屬→第二次張拉吊桿→成橋通車。

鋼橋面系方案的施工步驟有別于組合橋面板方案之處在于，張拉吊桿前橋面系已經形成一個整體，其橫向剛度比較大，左右兩個系梁、橋面板和橫梁可以整體承受吊桿張拉產生的水平分力，此時系梁橫向應力如圖9 所示。

圖9 吊桿張拉后系梁橫向應力圖（單位：MP a）

由圖9 可以看出，系梁在吊桿水平分力的拖拽下，橫向應力較小，只有12 MPa 左右。且根據系梁橫向應力圖可知，系梁應力基本上處于均勻的鋸齒狀，說明鋼橋面板整體剛度可以有效抵抗吊桿的水平分力作用。

（3）小結

通過上述兩種體系的對比，結合本橋結構及受力的特殊性，橋面體系選擇采用鋼橋面板體系。

3.3 吊桿布置及拱軸線設計

本橋由于景觀造型需要，主拱拱軸線和吊桿布置較為特殊，分別從這兩方面考慮對結構受力的影響。

由于吊桿下吊點為橫梁位置處，橫梁為3 m，下吊點間距為6 m，因此僅對上吊點的間距按照不同設置距離和拱軸線線性匹配進行受力分析，結果如圖10、圖11 所示。

圖10 吊桿上吊點間距與主拱最大應力的關系

圖11 拱軸線拋物線次數與主拱最大應力的關系

由圖10、圖11 可以看出，上吊點間距為4.8 m左右且拋物線次數越低時，主拱最大應力較小。但是隨著拋物線次數降低，拱腳處主拱和主梁夾角會越來越小，不利于主拱軸向力傳導。因此本橋采用上吊點間距4.8 m，拱軸線為1.8 次拋物線的方案。

4 BIM 協同設計

本橋有主拱為八邊形斷面、半幅橋橫向單坡、橫向非對稱、空間吊桿布置等特點，關鍵節點處的傳統二維設計不能準確定位板件位置，采用BIM 技術的三維可視化、參數化、模擬性輔助復雜節點的設計。本項目采用Rhino（犀牛）軟件建立全橋三維模型，并重點對拱腳、懸挑人行道、風撐等復雜構件設計進行介紹。主橋三維模型如圖12 所示。

圖12 主橋Rhino 三維參數化模型

4.1 拱腳設計

（1）方案選型

本橋拱腳包括拱梁結合點區域和拱墩結合區域，主拱在橋面位置斷開，橋面以上部分與系梁形成下承式鋼拱橋，橋面以下部分與橋墩固結，并且沿懸挑人行道外側布置。全橋爆炸圖如圖13 所示。

圖13 主橋組成構造分解

主拱在拱腳位置發生空間扭曲，構造非常復雜。利用Rhino 強大的NURBS 曲線功能，建立拱腳空間模型，清晰地展示拱腳位置拱結構和橋墩的沖突融合情況（見圖14），用于方案優化。根據行人角度視覺效果最終選擇圖14（a）所示的方案一。

圖14 拱墩結合區域融合方案展示

當確定方案后，從Rhino 導出拱墩結合區構造dxf 格式文件，輔助設計人員進行二維圖紙的繪制，如圖15 所示。

圖15 拱墩結合區Rhino 導出圖

（2）拱腳構造設計

主拱為八邊形斷面，系梁為矩形斷面。在拱腳位置處，主拱在系梁頂板處斷開，主拱板件采用熔透焊的方式與系梁頂板相接。在焊接位置處，系梁內部設置豎向支撐板，從頂板貫穿至底板，主拱軸力分別轉換為系梁拉力和支座反力。由于拱腳內主板和加勁板設置非常復雜，建立全板件的拱腳三維模型。通過三維剖圖方式得到準確的二維構造圖，設計人員補充標注后即可生成可交付的圖紙，如圖16 所示。

圖16 拱梁結合段三維圖及Rhino 導出圖

（3）拱腳受力分析

通過三維模型進行ANSYS 局部受力分析，計算得到的拱腳區域整體Mises 應力如圖17 所示。根據計算結果可知，整個拱梁結合段的Mises 應力基本都在200 MPa 以下。

圖17 拱腳整體Mises 應力云圖（單位：MPa）

4.2 懸挑人行道設計

（1）構造設計

懸挑人行道從河堤橋墩內側延伸至橋面人行道外側，走向為三維空間線位。支撐懸挑人行道的構造設計采用工字鋼與系梁焊接，間隔與系梁間的橫梁保持一致，為3.6 m。工字鋼之間采用鋼管相連，形成框架體系，以承受沿懸挑人行道縱向的偏位。最終形成的懸挑人行道效果圖如圖18 所示。

圖18 懸挑人行道效果圖

（2）凈空復核

本項目人行道凈空標準為2.5 m，采用模型的三維可視化，將懸挑人行道面板抬升2.5 m，形成人行凈空控制范圍，可以直觀檢查懸挑人行道凈空設計是否滿足要求，如圖19 所示。

圖19 懸挑人行凈空復核

4.3 風撐設計

在滿足受力的前提下，為了使得風撐設計視覺效果達到最優，采用Rhino 構建不同的風撐設計模型，進行設計方案比選。

方案一采用鋼拱80 m 范圍內鋼板連接的方式，如圖20 所示；方案二是在方案一的基礎上進行了鏤空處理，如圖21 所示。

圖20 風撐設計方案一

圖21 風撐設計方案二

通過比選，兩種方案鋼拱受力相差不大，方案二更顯輕巧，視覺效果更優，因此本項目設計最終采用方案二。

5 結語

隨著交通行業的發展，越來越多橋梁設計方案采用了跨徑大、復雜程度高的橋梁。傳統的二維設計手段在此類橋梁中已逐漸力不從心。BIM 技術在復雜橋梁設計中具備非常大的優勢和價值，利用三維模型可以表達傳統二維設計無法傳遞的信息，更直觀、更快捷。本文對BIM 技術的三維可視化和參數化進行了重點應用，BIM 技術更重要的作用是使工程項目信息在規劃、設計、施工和運營維護過程的充分共享、無損傳遞。隨著BIM 技術發展越來越成熟，未來將在項目全生命期內發揮越來越大的作用。