王立国;郭建华;元宇;张强
【摘 要】为分析钢桁架桥梁焊接节点的应力分布,以CATIA软件建立的BIM模型为基础,通过数据接口程序,将BIM模型的数据导入ABAQUS及MIDAS,获得钢桁架节点的应力状态.结果表明:修改BIM模型参数可以自动修改力学分析软件的数据文件,采用BIM模型作为力学分析软件的数据文件是可行的.只要构造合理,无论在恒载还是恒栽加活栽的作用下,节点处最大应力均远小于屈服应力,满足规范要求.通过构件尺寸优化,可以获得合理的节点形式. 【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2018(015)003
【总页数】6页(P27-32)
【关键词】BIM;钢桁架桥;焊接节点;力学分析;数据接口
【作 者】王立国;郭建华;元宇;张强
【作者单位】江苏省交通运输厅公路局,南京210004;东南大学,南京210096;中设设计集团股份有限公司,南京210014;南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016
【正文语种】中 文
【中图分类】U441+.5
建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)技术以建设项目的各项数据信息为基础，建立三维模型并模拟仿真建筑物所具有的真实信息，同时在建筑物全生命周期中提供信息共享资源[1]。
传统有限元方法在结构分析和设计中，一般只细化到构件层次，而且构件用有限单元表示，将实际工程的节点视为一个点，较少考虑节点的形状尺寸。在实际的工程设计中，是基于计算假定来对结构进行整体分析及强度计算的，对具体节点则缺乏相对深入的计算分析。大型钢桁架桥梁构件类型多、节点细部构造较复杂。而且复杂节点的破坏可以引起整体结构的破坏，因此，对于复杂节点应力的计算便显得十分重要。麻宏波等利用有限元程序Midas对大跨预应力钢栈桥的锚固节点进行分析，通过对不同加劲肋形式的比较，计算 出结构在张拉力作用下节点处的应力分布及扩散，从而得出较合理的节点形式[2]；黄平明等采用通用有限元程序对节点处的应力分布进行了分析，结果表明只要构造合理，就能保证节点应力分布均匀，满足规范限值要求[3]；施菁华等利用ANSYS软件对销轴、节点板和杆件的受力状态进行数值模拟，分析节点的内力分布规律及节点的传力机理[4]。以上研究多采用单一的有限元软件进行计算，均没有建立BIM模型。在节点结构优化和强度分析中，需重复建立对应的节点模型，此外，在缺乏整体模型力学计算的基础上，节点模型的边界条件难以获取，导致计算效率较低，计算结果容易失真。当然，也有学者利用建立的桥梁BIM模型，对整桥进行计算分析，如陈永高等利用BIM技术对铜陵公铁两用长江大桥进行建模，导出为IFC标准格式，并导入到结构分析软件中，对其静、动力特性进行计算分析，但没有分析到局部构造节点[5]。
钢桁架桥因其上部结构形式较单一，适合参数化设计、模块化建造。对于一些复杂的局部节点，利用CATIA建出模型后，可以将某一节点段隔离并导出，然后通过软件间接口导入ABAQUS中进行计算，根据计算结果判断节点的设计是否合理，若不合理，则重新调整节点几何参数进行再次验算。基于BIM模型节点参数化设计，当某一尺寸改变时，三维模型自动更新。这种做法的好处是可以直接利用BIM模型进行计算，省去了在有限元软件中反
复建模的过程，为建模和计算之间的连接提供了一种新的思路，拓展了BIM模型的功能[6]。本文在钢桁架BIM模型的基础上，进行整桥及节点受力分析。
缓冲垫1 项目概况
昌荣大桥位于兴化市，全长318.36 m，主桥采用74 m(计算跨径)单跨简支钢桁梁，两侧引桥分别采用5×20 m及7×20 m空心板梁，材料采用Q345钢，图1为昌荣大桥效果图。
图1 昌荣大桥效果图
该桥在整个项目中处于核心地位，直接影响到项目的进展。因此，昌荣大桥在设计、施工和运维等整个寿命周期使用BIM模型进行统一管理，提高了设计效率以及施工养护管理水平。本文以昌荣大桥为例，在大桥BIM模型的基础上，通过数据接口程序将BIM中的数据导入MIDAS进行大桥整体受力分析，得到杆件的应力；将BIM模型的数据导入ABAQUS建立节点模型，并将MIDAS分析得到的杆件内力作为边界条件赋予节点模型，分析钢桁架的节点受力状况，具体过程如图2所示。
图2 节点分析过程
2 BIM建模路桥年票
双因素方差分析法建模是BIM技术中最基础也是最重要的部分，昌荣大桥采用CATIA建立模型。由于桥梁模型的建造工作量大，需要多个设计人员协同工作，因此，采用“骨架+模板”的方式进行建模。在建模过程中保持骨架线的相互关联，局部构建之间相互独立，方便后期改动。
CATIA在产品中新建或者插入产品或零部件时，即在产品与产品或零部件中建立了一个instance关联，该关联能够直接调用该产品或零部件。根据钢桁架桥的基本组成部分和instance关联的特性，将模型分为桥梁骨架及子模型构件。在钢桁架桥骨架中建立桥梁节点、桥梁中心面等构成桥梁骨架的关键点、线、面等因素。之后，建立参数化构件模板，通过尺寸的约束对几何形状进行精确控制，最后，通过建立的桥梁骨架为基准将各子构件插入对应位置。图3为CATIA建立的桥梁模型。
由于桥梁中存在大量不同类型的节点，为便于建立节点库，本文对前半桁架节点进行了编号，如图4所示。各节点位置不同，其包括的子部件也不同，如E0节点部件由6个子部件组成，E2节点部件由9个子部件组成。根据图纸将刚桁架桥各模块参数化，尽量把构件的形状和尺寸约束联合起来考虑，通过尺寸的约束实现对几何形状的精确控制。图5为所建节点
库的部分节点。
网络购物定义图3 钢桁架桥模型
虽然桥中心段一般弯矩最大，但中部节点处主要承受拉力，相对安全。而两边端点处与下部实体固定，由于限制了节点位移导致节点处受力较大，所以本文选择E0节点为细部分析的节点。
图4 前半桁架节点编号图
(a) E0节点
(b) E2节点
(c) X型节点图5 节点库部分节点
3 整体力学分析
为正确分析钢桁架的节点受力状况，必须得到与节点相联结的各杆件内力，并以此作为节
点分析的边界条件。在桥梁BIM模型的基础上，通过数据接口程序将BIM中的数据导入MIDAS进行大桥整体受力分析，可以得到杆件的内力。
昌荣大桥钢桁架单元之间连接方式为焊接，单元之间可以传递弯矩，所以在MIDAS建模时采用梁单元进行建模。分析中采用两种荷载工况。
工况Ⅰ：结构自重+桥面二期恒载；
工况Ⅱ：恒载、风载、温度以及汽车制动作用下该节点处应力最大情况。
与E0节点相连接的杆件分别为1号杆、2号杆和3号杆(如图5(a)所示)。经MIDAS计算之后，可以将1号杆、2号杆和3号杆的内力及弯矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz导出。表1为工况Ⅰ节点处的力与弯矩，表2为工况Ⅱ各杆件的力与弯矩。
4 节点力学分析
4.1 节点构造
在钢桁架桥梁中，荷载通过桥面传给纵梁，由纵梁传给横梁，由横梁传给主桁节点，然后
陈衍传给支座、墩台及基础。根据圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，对远离荷载作用区的位置影响不大。E0节点位于刚桁架桥两端，主要由三根杆件构成，是荷载由桥传到支座的关键点，由于E0节点具有以上特性，下面对E0节点进行分析。图6为E0节点构造图，斜腹杆与下弦杆用大节点板将两端焊接，大节点板板厚36 mm，斜腹杆与下弦杆均采用空心杆，斜腹杆板厚28 mm，下弦杆板厚20 mm。在节点侧面，下平纵联斜杆使用较小的节点板与前者连成一个整体，大小节点板间焊接部分长度分别为240 mm、320 mm。图7为3号杆优化前后的截面尺寸。
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