复杂钢索塔BIM模型与有限元软件互联探索_陈飞宇.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 5收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 1第一作者:陈飞宇(1 9 9 4-),男,工程师,硕士。复杂钢索塔B I M模型与有限元软件互联探索陈飞宇1 刘廷杰2 陈 岳1 汪东明1(1.华设设计集团股份有限公司 南京 2 1 0 0 0 5;2.昆山市交通工程发展中心 昆山 2 1 5 3 0 0)摘 要 目前交通建设领域涌现越来越多造型新颖的钢结构桥梁,复杂钢结构桥梁需要借助B I M软件辅助设计,并进行精细化有限元分析以达到结构安全和造型美观的平衡。针对这一问题的大多数研究成果多为采用编程接口方式进行模型转换,但这类方法较为复杂,不便于大多数设计人员使用。文中以震川大桥钢索塔为例,将C a t i a软件中的B I M模型快速导入M i d a sF E A N X进行有限元计算分析;并利用建立的有限元模型对复杂钢索塔锚箱板厚、腹板板厚、塔壁板厚,以及隔板数量等关键设计参数进行对比分析,得出相关参数对结构刚度和受力的影响,以指导结构设计参数取值。关键词 B I M 钢索塔 C a t i a F E AN X 参数分析中图分类号 U 4 4 8.2 7 随着经济不断发展,交通建设领域涌现出越来越多造型新颖的钢结构桥梁,这些复杂钢结构桥梁对于桥梁设计工作者提出了新的挑战。一方面,此类桥梁空间造型复杂,单纯依靠传统二维图纸设计存在困难,因此需要借助B I M技术可视化辅助设计1;另一方面,复杂钢结构需要精细化有限元分析以达到结构安全和造型美观的平衡。目前B I M软件大多无法实现复杂结构的有限元分析2,而有限元分析软件的几何建模功能又相对较弱,针对这一问题许多学者开展了相关研究3-4。陈志为等5基于C#语言编制了R e v i t与AN S Y S软件之间的程序接口;邹新等6提出一种A C I S-A P I模 型 转 换 方 法,实 现R e v i t与A B AQU S之间的模型转换程序。但这类方法大多较为复杂,不便于大多数设计人员使用。本文依托申张线青阳港航道整治工程震川大桥,基于C a t i a和m i d a sF E A N X软件进行复杂钢索塔B I M与有限元互联设计的探索,进一步对钢索塔构件受力特性开展研究,从而指导结构设计参数取值。1 工程背景震川桥为非对称钢拱塔斜拉桥(见图1),主桥跨径9 0 m+1 4 0 m,斜拉索采用空间双索面布置。图1 震川桥效果图桥梁小桩号大塔上共设有6组塔梁拉索+1 2组塔间拉索,大桩号小塔上共设有2 4组塔梁拉索+1 2组塔间拉索,索塔内采用钢锚箱的方式对斜拉索进行锚固。震川桥索塔共设置3个箱室,锚箱位于中间箱室,中间箱室两腹板中心间距17 4 0mm,锚箱处腹板厚度4 0mm,塔壁厚度3 0mm。2 互联设计流程2.1 B I M模型导入为了方便采用板单元计算,需对B I M模型进行取面处理,C a t i a提供了诸多便利的曲面处理功能,利用“曲面提取”“曲面偏移”“中间面”“曲面拉伸”“曲面切割”等命令对索塔节段实体模型进行处理,从而得到方便导入计算软件的曲面模型。经过处理后的曲面模型可直接导入F E AN X计算软件(见图2),为了方便命名可以将各个部分曲面分别导出为s t e p或i g e s格式,然后再分批导入F E AN X。针对部分复杂空间曲面,可以采用UGN X或S o l i d w o r k s软件将C a t i a导出的文件转换为P a r a S o l i d格式,以实现更好的曲面导入效果。2.2 几何模型处理为了方便后续有限元网格划分,几何模型导入后要根据板件接触关系进行处理。针对整体相交的板件采用软件中的“面组合”功能将曲面组合成部件整体,针对部分相交的板件采用软件中的“印刻”功能在大板件上印刻出相交线。图2 导入F E AN X后的几何模型几何模型处理完毕后,根据需要添加材料和属性特征,材料种类添加Q 3 4 5 q D类别,属性种类添加不同厚度的2 D板单元类别、3 D实体单元类别、刚性连接单元类别。2.3 有限元网格划分在网格划分之前,利用软件的网格控制功能,对几何处理中印刻的相交线添加尺寸控制。对相邻构件其中之一完成尺寸控制设定后,需要对另一构件的相交线采用“相同播种线”功能设置相同的尺寸控制,从而避免网格划分后该相交线处出现单元无法对齐的状况。完成尺寸控制之后即可开始单元网格划分,网格划分按照“从小到大,由内到外”的原则分部件进行,2 D板单元网格采用“三角形+四边形”混合类型,单元播种方法采用根据尺寸分割,有限元模型网格划分见图3。图3 有限元模型网格划分每一步网格划分后利用软件自带的“显示单元自由边”功能检查是否有网格内部的自由边或缺损,同时检查是否存在局部单元划分质量不理想的情况。利用软件中“分割单元”“合并节点”“重新划分网格”等命令对局部网格质量进行修正。2.4 施加荷载和约束根据几何建模中的加载顶点位置建立加载节点,将节段顶加载节点与节段顶面范围内节点之间建立刚性连接,将锚箱加载节点与拉索锚具螺母范围内锚垫板节点之间建立刚性连接。从m i d a sC i v i l整体模型中找到对应节段位置,找出对应位置的基本组合内力;建立4个加载点位置的局部坐标系,在节段顶加载节点处施加基本组合下的轴力、两方向剪力和两方向弯矩和扭矩,在锚箱加载节点处施加基本组合下的拉索轴力;选择所有单元施加单元自重,塔壁应力计算云图见图4。图4 塔壁应力计算云图将节段底面范围内所有节点选中添加固定约束,添加分析工况,将所有网格、边界、荷载激活,即可进行有限元分析计算。2.5 动态调整设计参数利用建立的有限元模型,选择锚箱板厚、腹板板厚、塔壁板厚、隔板数量等关键设计参数进行对比分析,根据计算结果分析各个参数变化趋势,选择经济合理的结构尺寸。由于设计过程中局部尺寸、荷载取值、拉索角度等参数经常变化,所以计算修改也要经历多轮调整。设计方案调整后针对板厚调整可以直接通过F E AN X中“修改网格参数”功能实现;简单尺寸调整可以直接在F E AN X中修改几何模型,然后局部划分网格计算即可;复杂尺寸调整可以通过C a t i a修改后重新局部导入几何模型,然后划分网格计算即可。3 索塔设计参数影响分析3.1 锚箱板厚比较分析针对锚箱主要受力的顶板、底板和腹板进行板厚计算分析,当锚箱顶板、底板和腹板板厚均取27陈飞宇等:复杂钢索塔B I M模型与有限元软件互联探索2 0 2 3年第1期2 5,3 0,3 4,4 0,4 5,5 0mm时,有限元计算锚箱最大应力和最大位移结果见图5。图5 锚箱应力、位移随板厚变化由图5可知,随着锚箱顶板、底板和腹板的厚度增大,锚箱最大应力显著降低,但板厚超过4 0mm后应力降低幅度逐渐变小;另外锚箱最大位移随板厚增加变化不大,说明锚箱刚度主要受索塔其他板件影响。3.2 腹板板厚比较分析针对索塔腹板进行板厚计算分析,当索塔腹板板厚取2 5,3 0,3 4,4 0,4 5,5 0mm时,有限元计算索塔腹板最大应力和最大位移结果见图6。图6 索塔腹板应力、位移随板厚变化由图6可知,随着索塔腹板板厚增大,锚箱最大应力和最大位移显著降低,应力和位移下降幅度基本与板厚增加幅度成线性关系,说明索塔腹板应力和刚度主要受自身板厚影响。3.3 塔壁板厚比较分析针对索塔壁板进行板厚计算分析,当索塔壁板板厚取2 2,2 6,3 0,3 4,3 8,4 2mm时,有限元计算索塔壁板最大应力和最大位移结果见图7。由图7可知,随着索塔壁板板厚增大,塔壁最大应力和最大位移显著降低,塔壁厚度由2 2mm变化至2 6mm时,塔壁应力和位移下降幅度较大;超过3 0mm后塔壁应力和位移下降幅度基本与板厚增加幅度成线性关系,说明索塔壁板厚度在2 6mm以下厚度时刚度与索塔腹板不匹配,索塔壁板厚度在2 6mm以上时其应力和刚度主要受自身板厚影响。图7 索塔壁板应力、位移随板厚变化3.4 隔板数比较分析针对索塔隔板数影响进行分析,索塔计算节段长6.5 m,当设置1道隔板时隔板平均间隔3.2 5m,设置5道隔板时隔板平均间隔1.1m。当隔板数目分别取15道时,有限元计算索塔壁板、腹板最大应力和最大位移结果见图8。图8 索塔应力、位移随隔板数变化由图8可知,当隔板数从1道增加至2道时,索塔壁板、腹板最大应力和最大位移显著降低;当隔板数超过2道后,隔板数对索塔壁板、腹板最大位移几乎无影响;当隔板数超过3道后,隔板数对索塔壁板、腹板最大应力几乎无影响。说明隔板数设置3道较为合理,继续增加隔板数对结构受力帮助很小,还会压缩内部施工空间。4 结语本文以震川大桥钢索塔为例,介绍了如何将C a t i a软件中的B I M模型快速导入m i d a sF E AN X进行有限元计算,从而便利地实现B I M与有限元互联设计。另外对复杂钢索塔锚固构造进行了有限元分析比较,对其受力特性开展研究,以期372 0 2 3年第1期陈飞宇等:复杂钢索塔B I M模型与有限元软件互联探索为后续类似项目设计提供参考,提高复杂钢结构设计效率。参考文献1 夏雨帆,杨明,申威.基于B I M技术的复杂异形钢拱桥深化设计J.交通科技,2 0 2 0(6):4 1-4 3.2 高磊.基于B I M的钢箱梁斜拉桥有限元模型生成J.工程与建设,2 0 2 2(1):2 1 7-2 2 0.3 曲强龙.基于B I M的预应力混凝土连续梁桥施工控制研究D.北京:北京交通大学,2 0 1 9.4 赖华辉,邓雪原,刘西拉.基于I F C标准的B I M数据共享与交换J.土木工程学报,2 0 1 8,5 1(4):1 2 1-2 8.5 陈志为,吴焜,黄颖,等.基于B I M的复杂结构有限元精细模型生成J.土木工程与管理学报,2 0 1 8,3 5(5):6 3-6 7,8 4.6 邹新,林焯铭,杨旭杰,等.基于B I M的精细化有限元模型转换方法J.土 木 工程 与管 理学 报,2 0 2 2(1):1 3 7-4 3.E x p l o r a t i o no fB I Ma n dF E AI n t e r c o n n e c t i o nD e s i g nf o rC o m p l e xS t e e lC a b l eT o w e r sCHENF e i y u1,L I UT i n g j i e2,CHENY u e1,WANGD o n g m i n g1(1.C h i n aD e s i g nG r o u pC o.,L t d.,N a n j i n g2 1 0 0 0 5,C h i n a;2.K u n s h a nT r a f f i cE n g i n e e r i n gD e v e l o p m e n tC e n t e r,K u n s h a n2 1 5 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,m o r ea n dm o r en o v e l s t e e lb r i d g e sh a v ee m e r g e di nt h ef i e l do f t r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o n.T h e s ec o m p l e xs t e e lb r i d g e sn o to n l yn e e dt ob ea i d e db yB I Ms o f t w a r e,b u