bim拉索桥如何画？宝鸡渭河自锚式悬索桥BIM设计实践
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第103期
《宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践》
戴昌林
中国市政工程中南设计
研究总院有限公司
▼目录▼
一、项目概况
二、总体布置
三、施工方案
四、计算分析
五、BIM应用
▼内容介绍▼
一、项目概括
项目为陕西宝鸡市跨渭河的一座特大桥
目前，宝鸡市区过渭河通道间距大，导致南北两岸之间绕行距离长，关键节点拥堵严重，无法满足交通需求。因此增加连接渭河南北的新通道十分必要。
增建新通道：宝鸡植物园渭河大桥、宝鸡联盟路渭河大桥、宝鸡阳平渭河大桥。
桥位示意图
联盟路渭河大桥位于宝鸡市中心城区石鼓山风景区附近，是沟通渭河南北两岸的重要通道，桥位位于现状金渭大桥与石鼓隧道之间。
联盟路渭河大桥南起渭滨大道与石鼓西路交叉口，北至陈仓园二路以北落地；桥梁全长1.225Km，跨越渭河河道，两侧设引桥。
◇场地自然条件
??气象：中纬度大陆季风区域暖温带半湿润、半干旱气候，季风盛行，四季分明。年平均气温为12.8℃。
??地形、地貌：受构造断裂控制，宝鸡形成南北隆起、中间低平、西窄东宽的河谷断陷盆地景观。
??区域地质构造：东西向断裂大体以渭河为界，以北的断裂向南陡倾斜，以南断裂向北陡倾斜，构成了阶梯状下降的复式地堑盆地。
??场地、地震：场地地基土类型属中硬土，场地类别为Ⅱ类；地震动反应谱特征周期为0.40s，地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度8度。
◇技术标准
(1)道路等级：城市主干路
(2)设计车道：双向四车道+非机车道+人行道
(3)设计速度：60km／h
(4)荷载等级：机动车道：城-A级
非机车道：城-B级
人群荷载：3.5KN/m2
(5)防洪标准：1/100，洪水流量6970m3/s；不通航
(6)地震烈度：基本烈度8度，动峰值加速度0.20g，设防类别甲类
(7)基本风速：重现期100年10m高10分钟平均最大风速26.3m/s
二、总体布置
◇桥型选择
桥梁位于宝鸡市石鼓山风景区附近，对景观要求高，按照建设方“一桥一景”的要求，力争打造宝鸡市地标式建筑，经方案比选，采用自锚式悬索桥。
主桥跨径组合：（50+95+200+95+50）m
主梁型式及断面
加劲梁方案比选表
钢边箱主梁
钢加劲梁断面
钢加劲梁由箱型边主梁、挑臂、横梁及正交异性桥面板构成，边主梁横向间距18.2m宽2m，挑臂长4.5m，纵向间距1.5m，横梁采用倒T断面，纵向间距3m，横梁与挑臂对齐布置，桥面板由纵肋加劲，与横梁腹板一起组成正交异性结构，材质均为Q345qD。
锚跨梁
锚跨砼梁立面
主缆后锚点横桥向距桥梁中心10.9m，主缆力考虑按35o扩散，为保证主缆力扩散后结合面受力均匀，结合面设于距锚墩中心16m。
锚跨梁跨中断面
锚跨梁采用全预应力结构，跨径50m，单箱六室断面，标准梁高3m，在锚室位置梁高加高至5m，锚室分前锚室、锚固横梁、后锚室。
钢混结合面（钢梁侧，剪力钉未示）
边主梁内侧腹板处剖面
采用直接承压板构造
承压板：满足轴力的扩散传递
剪力钉：传递剪力差
预应力：抵抗弯矩，保证密贴
为增强整体性，钢梁内腹板深入混凝土梁内部。
◇主缆方案
主缆平面布置
主缆断面
主缆矢跨比为1/5，空间线型，PPWS法施工，单根主缆由19股索股组成，每股由61丝直径为5.3mm的镀锌高强度钢丝组成，标准抗拉强度1770Mpa，断面排列为正六边形，断面孔隙率按20%(18%)。
◇索夹选择
索夹连接构造比选表
索夹与吊索
吊索采用预制平行钢丝束吊索，单根吊索由151丝直径5.0mm镀锌高强钢丝组成，标准抗拉强度1670Mpa。索夹采用上下对合型构造，ZG20Mn铸造而成。
索夹立面布置图
根据需要，分为有索索夹、无索索夹（紧缆索夹）两种类型。图中：SJ1-SJ5为有索索夹，SJ6、SJ7为紧缆索夹。
索鞍
主索鞍立面
主索鞍采用全铸式肋结构，ZG270-480H铸钢铸造而成，单个索鞍总重约40t，由鞍体和座板组成；为降低运输、吊装重量，鞍体分为两半构造，待起吊至塔顶调整好标高后用高强度螺栓连接成整体。
主索鞍向边跨预偏量507mm，最大顶推力300t，分三次顶推到位。
散索套
散索套由ZG270-480H铸造而成，采用上下对合型结构，用高强螺杆连接紧固，前段发挥摩阻套箍作用，后段发挥散索套箍作用。
施工过程中散索套处主缆竖向变位大，为防止空缆与锚室顶板开口处相碰，避免锚室顶板纵向开孔过大，在散索套下方设临时支撑。
◇主缆锚固
锚固系统立面
在锚墩处设置前锚室、混凝土锚体、后锚室。主缆束股经散索套分散为单股后直接穿过锚体锚固在后锚室端面上，索股锚头采用套筒式热铸锚，这种锚固方式传力明确，方便维护检修。锚室内设置除湿机。
◇桥塔方案
方案一：欧式风格，外观略显繁琐，“头重脚轻”，塔柱不满足抗震要求
方案二：欧式风格，外观构造繁琐、复杂
方案三：欧式风格，哥特式建筑，外观简洁、典雅大方
桥塔采用框架混凝土结构，桥面以上塔高约60m，塔柱采用单箱单室断面，塔柱及上横梁为钢筋混凝土构件，下横梁为A类预应力混凝土构件。
桥塔采用分离式基础，承台下方设12根直径2m钻孔灌注桩。
主桥纵断面
主桥起点桩号K0+594m，终点桩号K1+084，总长490m。平面位于直线上，最大纵坡1.2%，竖曲线最小半径R5000m。
总体布置
采用空间双索面自锚式悬索桥，桥跨布置为50+95+200+95+50（m），全长490m，桥面总宽29m，其中主跨200m，边悬吊跨95m，锚固跨50m，主跨和悬吊跨采用钢边箱主梁断面形式，锚固跨采用混凝土箱梁断面形式；主缆采用二次抛物线线型布置，主缆矢跨比1：5，欧式风格混凝土桥塔，桥面以上桥塔高度70m。
桥面布置
桥面总宽度29m，桥面布置：
3m(人行道)+1m(索区)+0.5m(防撞护栏)+20m(非机车道+车行道+非机车道）+0.5m(防撞护栏)+1m(索区)+3m(人行道)，桥塔处设人行饶塔平台，桥面以上塔高60m
◇结构体系
采用自锚式悬索桥，半漂浮约束体系，跨度布置（50+95+200+95+50）m主桥长490m，主梁采用混合梁结构，其中主跨、边悬吊跨为钢梁，锚跨为预应力混凝土梁。
三、施工方案
桥塔施工：桥塔为混凝土结构，采用爬模法施工。
锚跨混凝土梁采用支架现浇法施工，钢边箱主梁采用整体（除两侧挑臂）滑移法施工。
◇缆索施工
采用先梁后缆施工
吊索分次张拉，张拉顺序由桥塔向两侧进行张拉，两端及上下游吊索同时、对称张拉。
四、计算分析
◇静力分析
总体静力计算模型
模拟方法：
采用空间有限元程序Bnlas计算，Midas校核
主缆、吊杆采用索单元模拟，加劲梁采用梁单元模拟，考虑施工及运营状态
主缆几何非线性影响，缆、鞍、塔之间不相互滑动，主缆锚固于锚跨梁段。
目标：
主缆各理论点的里程和标高达到设计要求、主塔无偏位、加劲梁线形为设计线形，各构件强度满足规范。
分析结果：满足规范要求。
①活载作用下，主梁最大向下挠度为-0.329m，最大向上挠度为0.149m，挠跨比为1/606，满足规范规定要求。
②基本组合下，钢梁最大压应力201.1Mpa，最大拉应力-75.3Mpa，满足规范要求。
③主缆轴力安全系数：K＝67516.5/24479.2＝2.76＞2.5，满足规范要求。
④吊索应力安全系数:K＝1670/462.35=3.6>3.0，满足规范要求。
⑤索夹满足抗滑系数大于3.0，索夹强度安全系数大于3.0的要求。
⑥散索套抗滑移满足大于2.0的要求。
⑦索鞍鞍槽内的抗滑安全系数满足不小于2.0的要求。
◇实体分析
主缆锚固段精细化实体分析模型
分析结果：
在标准组合下，砼锚梁各腹板的纵向正应力（压应力）不大于10Mpa，由于结合段横梁横向刚度较大，各腹板的传力比较均匀。由于结合面至锚跨横梁截面变高的缘故，正应力也逐渐减小。
◇动力特性分析
主桥成桥状态计算图式
梁、塔、墩和桩基采用梁单元模拟，主缆和吊杆采用索单元模拟，主缆及吊杆刚度考虑恒载作用下几何刚度的修正，桩基采用“m”法土弹簧模拟。
成桥状态结构动力特性
◇抗风分析
本桥桥址处的地表类别为B类，主梁基准高度约为18m，主塔基准高度58m。
施工阶段、成桥状态中主塔、主梁颤振临界风速由主梁控制设计
成桥状态主梁颤振检验风速[Vcr]=46.1m/s，施工阶段主梁颤振检验风速[Vcr]=38.8m/s。
成桥状态下主梁颤振临界风速表
从表中可以看出：成桥状态主梁弯扭耦合颤振Vcr1和分离流扭转颤振Vcr2临界风速均大于主梁颤振检验风速，抗风安全性能满足要求。
◇抗震设计
主桥抗震设防标准及性能目标
减隔震设计：在边墩和锚墩位置设置双曲面摩擦摆减隔震支座，在主塔位置设置纵向粘滞阻尼器。并进行非线性时程分析。
双曲面球型摩擦摆支座动力设计参数（单个支座）
单个阻尼器参数
E2地震作用下主梁的地震位移响应
结论：
在E1地震作用下，边墩、锚墩、主塔和桩基最不利截面弯矩均小于截面初始屈服弯矩，均保持在弹性范围之内，满足抗震性能要求。
在E2地震作用下，边墩、锚墩、主塔和桩基最不利截面弯矩安全系数均大于1，说明边墩、锚墩、主塔和桩基只发生可修复损伤，满足抗震性能要求。
五、BIM应用
BIM软件采用AutodeskRevit对桥梁外形，配筋及桥位进行设计建模。
◇构建模型
◇碰撞检查
◇构造检查
引桥第五联混凝土箱梁支座底部标高与墩顶相差1.4m
第六联梁面宽度29m,第七联梁面宽度26.04m，而第六，七联人行道宽度为3m;无法进行人行道的连接。
利用Revit可以对每个构件提取坐标和高程。
结束语：
陕西宝鸡联盟路渭河大桥，于2017年10月开工建设，目前主体结构已施工完毕，正进行缆索系统施工，预计于2019年7月建成通车。该桥采用自锚式空间缆索结构，欧式桥塔，桥型优美、典雅大方，建成后将成为宝鸡市地标式建筑，也为今后类似桥梁的设计及施工提供借鉴与参考。
（注：陕西宝鸡联盟路渭河大桥，已于2019年9月30日正式开通）
《宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践》
戴昌林中国市政工程中南设计研究总院有限公司
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