合肥新桥机场斜跨拱桥锚箱深化设计制作及BIM关键应用

杜伸云

(中铁四局集团钢结构有限公司，合肥市 230022)

1 工程概况

合肥市新桥国际机场高速公路斜跨拱桥主要由拱肋和桥面系组成。拱肋跨距68m，拱高24．286m。桥面系长72m，宽13．065m。拱肋斜跨过主梁，两者之间的平面夹角为16°。主梁通过9对吊索均匀地作用在拱肋上，吊索采用空间索面，在顺桥方向上形成一个扭转面，具有很强的空间立体感见图1。

图1 新桥机场斜跨拱桥整体效果图

拱肋为单箱单室截面见图2，宽1．82m，高3．6m，采用T型加劲肋，全桥连续。每隔3m设置一道横隔板，板厚为20mm。拱肋轴线在其平面内为二次抛物线，方程为:y=0．021 008 403x2，矢跨比为0．357 1。

桥面系钢结构分为纵梁、横梁、小纵梁见图3。纵梁为箱型截面，并于外侧形成风嘴。横梁为箱型截面，顶面布置剪力钉。小纵梁为工形截面，纵向通长布置。

2 锚箱深化设计

锚箱是梁、拱连接的关键节点。因梁、拱吊索锚固点相对位置较复杂，锚箱的定位以及尺寸放样就成了本桥深化设计及制作的难点。为提高三维放样出图的准确率及效率，锚箱的深化设计使用了BIM，所用的核心建模软件为Tekla Structures，然后通过此信息模型为后续的制作、安装服务。下面主要介绍锚箱深化设计的步骤及要点。

2．1 梁、拱建模

按照设计要求，通过Tekla Structures软件对梁、拱进行建模，以确定梁、拱的相对位置、结构、尺寸及材料、编号等信息。

2．2 确定梁、拱锚固点

根据设计给出的坐标点，先在梁、拱上分别标记出锚箱的锚固点，然后将梁、拱对应的点用直线(锚索)连接起来，从而确定出各锚箱导管的方位。

2．3 锚箱深化设计

锚箱的基本结构见图4，主要由锚垫板、锚底板、承压板、导管及加劲板组成。锚箱深化设计的难点在于纵梁与吊索之间的夹角多变，导致锚箱外形尺寸不规则，种类繁多。

下面以纵梁锚箱为例，介绍锚箱深化设计步骤:

2．3．1 导管深化

导管与锚索同心，下部至锚固点，上部伸出纵梁顶板100mm，按此规则确定导管的长度及角度，在Tekla Structures软件中通过“创建梁”命令进行建模。

2．3．2 锚底板深化

锚底板在导管底部且垂直于导管，按此规则在Tekla Structures软件中通过“创建多边形板”命令进行建模。

2．3．3 承压板深化

承压板是锚箱的关键零件，其两侧顶紧纵梁隔板，顶部顶紧纵梁顶板，其外形尺寸随锚索与纵梁的角度变化而变化。在建模时，先通过“创建多边形板”命令在垂直于锚底板且通过导管圆心的平面内画出多边形板(辅助零件)与顶板、对应隔板相交(要求次板要足够大)，然后在多边形板的法向上向两侧复制多边形板，后删除原多边形板。通过“使用另一零件切割”命令确定两块多边形板(辅助零件)与隔板及顶板的交线，再通过“创建多边形板”命令沿着交线描出承压板的外形尺寸，最后删除辅助零件。至此，完成承压板的建模。

2．3．4 加劲板深化

加劲板垂直于底板及承压板。在垂直于承压板的平面内通过“创建多边形板”命令创建加劲板，然后通过“线性复制”及“镜像”命令完成其余加劲板的建模。

通过以上步骤，在Tekla Structures软件中完成锚箱的深化建模。

2．4 建模要点

2．4．1 零件属性的准确

由于本桥零件数量及种类繁多，因此在运用Tekla Structures软件建模时要求零件的属性输入要正确，以方便后面的查询、修改、加工图的输出。零件属性包含:零件编号的前缀、开始编号、构件编号前缀、开始编号、名称、截面型材、材质等。只有在建模时正确的输入这些信息，我们建立的信息模型最后才能得到准确、可靠的结果。

2．4．2 单元件的合理划分

由于本桥结构较复杂，很多零件要先制成单元件后，再总体拼装。只有合理的划分单元件，才能为图纸输出及工厂制作提供方便。本桥纵梁单元件分为:顶板单元、底板单元、斜底板单元、腹板单元、斜腹板单元、隔板单元及锚箱单元见图5。为此，在使用Tekla Structures建模的时候必须先将组成各单元件的零件“焊接”在一起组成单元件(次构件)，再将各单元件附在一个辅助构件上组成构件。辅助构件是为出图方便而设置的一个零件符号(拟定为1*1*2mm的长方体)，重量忽略不计，仅作为构件编号及方便输出各单元件的图纸使用。

图6 锚箱拼装图

图7 锚箱与隔板拼装图

3 锚箱制作

锚箱制作的主要难度是锚箱导管角度的精度控制，保证梁、拱对应的锚箱导管要在一条直线上。为保证拼装精度，先将锚箱与对应的隔板焊接在一起，然后将其整体吊入纵梁底板单元上就位，再拼装斜底板单元、斜腹板单元、腹板单元及顶板单元，最后插入锚箱导管精确定位。所有这些工序的顺利进行，都得益于前阶段所建立的数字模型。

3．1 锚箱制作流程

3．1．1 下料

主要是承压板的下料。为保证制作精度，承压板下料采用手工划线号料，并使用半自动切割机进行切割。锚底板下料采用数控切割机进行下料，劲板下料采用直条切割机进行切割。下料时要标记清楚零件的编号，必须与信息模型一一对应。

3．1．2 划线

主要包括:在隔板上划锚箱承压板与隔板的交线(承压板位置线)，在锚底板上划出承压板、劲板的位置线，以及在承压板底部划出其与锚底板对应的基准线。

3．1．3 拼装

按照划线，先将锚箱拼成一个整体见图6，然后再将其与隔板拼装见图7。主要控制点如下:

承压板与锚底板之间的相对位置:通过两块承压板的外形尺寸及与锚底板之间的空间位置关系，使承压板与隔板的接触边在与隔板顶紧时形成一定的空间角度，即关键控制点。

锚箱与隔板之间的相对位置:将锚箱放在对应的隔板上，通过3．1．2部分的划线将锚箱与下部隔板定位，然后再将另一块隔板放在锚箱上部。通过基准，调节上部的隔板使其在投影放样与下部隔板重合，通过临时支撑固定后整体焊接。

矫正

主要通过火焰矫法矫正焊接变形。

3．2 整体拼装

拼装流程:

以上拼装流程主要是在专用胎架上通过各板单元的基准线进行定位，然后焊接。锚箱导管与顶板之间是斜交，顶板开孔形状呈椭圆形见如图8。箱梁焊接完成后，通过基准线定位椭圆孔在顶板上的中心位置及长轴方向，进行开孔切割，然后插入导管定位焊接。

至此，本桥的关键深化设计及制作已介绍完毕。本桥主体钢结构现已架设完毕见图9。

图8 顶板开孔图

图9 合肥市新桥国际机场高速公路斜跨拱桥现场安装

4 结语

由于本桥结构新颖，造型复杂，单纯采用CAD制图很难完成详图深化及指导工厂制作。通过BIM在本桥中的应用很好地解决这种结构的难点，且提高了深化设计的效率、准确率，为工厂加工提供了很大的方便。复杂部位，工人可以观察三维模型，提高了工人识图的准确度及识图速度，为以后类似桥梁的深化设计及制作提供了一定的参考价值。

［1］《铁路钢桥制造规范》(TB 10212—2009)［2］《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)

［3］《钢结构工程施工验收规范》(GB50205－2001)

［4］张晓龙，马恩成，夏续勇等．钢结构三维模型碰撞检测技术研究及应用［J］．土木建筑工程信息技术，2009，1(2):51-54．

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［6］吕建鸣，陈可．斜拉桥空间有限元精细化建模技术研究［J］．土木建筑工程信息技术，2009，1(2):1-6．

［7］许镇，任爱珠，陆新征．基于有限元的桥梁垮塌场景模拟初探［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(4):14-20．