基于BIM+FEM协同技术的宽幅钢箱梁优化分块与整体顶推技术研究
时间：2023-04-20 10:30:09 来源：千叶帆 本文已影响人
李正全、赵贵朋
（中国水利水电第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860）
随着科学技术的进步，BIM 技术在项目建设中的应用逐渐拓宽和深入，推动着智能建造的快速发展。BIM 技术在工程施工过程中的广泛应用，不仅能够解决施工过程中出现的各种问题，也能够促进施工管理质量与效率的不断提升[1-3]。现如今，国内利用BIM指导施工还存在一些问题，其中就包括施工过程中结构安全等问题。在信息化管理、模型可视化及三维建模等方面，BIM 建模软件均具有良好的应用效果，表现出其独有的技术优势，由此可实现利用现代化信息技术手段对建筑施工全过程进行管理的目标。FEM方法可以实现对施工过程中的结构变形与应力的计算分析[4-5]。因此，将FEM 和BIM 技术引入桥梁工程建设中可以推动建筑工程施工质量的提高，实现降本增效的管理目标，提高宽幅钢箱梁的施工效率和施工管理水平。
韩滩双岛大桥桥梁总长度为1297m，主桥长度为860m，主跨长430m，边跨长215m，主桥为钢箱梁结构，桥面宽度为38m，共分为71 节段，总重17000t，标准节段尺寸长度为12m×38m，单节段重233t，最重节段为377t。
受现场运输和吊装条件限制，该工程主梁需要分节段、分块加工，现场焊接之后再进行整体顶推施工，主要包括以下问题：
第一，韩滩双岛大桥主梁为桁架隔断钢箱梁，如何进行横向分块，国内研究鲜见。分块大，吊装运输困难，且因为横隔为桁架，需要考虑分块吊装施工状态的刚度；
分块小，焊缝太多，焊接残余应力和残余变形对主梁结构的影响过大。
第二，无法试错。一旦加工完成，现场焊接发现上述问题后，纠正困难。
第三，横隔为桁架，拼装的时候定位控制困难。
针对以上问题，文章提出了用FEM 模拟焊接影响确定分块数量和焊缝位置，再用BIM 技术模拟预拼装的方法。
2.1 利用FEM 技术模拟焊接影响确定分块拼装
对大型钢箱梁进行分段、分块安装的主要特点是，分块后的结构可以由工厂加工，质量保障性好，分块的拼装线形和质量易于保证，常规起重设备即可满足吊装要求，满足韩滩双岛大桥工期、施工场地及结构特点等各方面的要求。
钢箱梁单元分块应考虑桥梁结构特点和断面形式，同时，还应考虑的分块原则有：钢箱梁制造条件、设备吊装能力、运输要求及现场环境等。
总体来说，韩滩双岛大桥主梁为桁架横隔的钢箱梁，横向分块使原箱梁成了不对称开口薄壁截面，其抗扭转能力急剧下降，这会导致吊装时钢箱梁容易发生局部屈曲的现象，施工质量难以控制。因此，必须科学地制定分块原则，并进行详细深入地分析来确定单元分块。
首先，根据现场初拟的分块方案，建立了复杂的空间有限元模型，模拟焊接的温度场、应力场合残余变形，从而获得最优的分块数量和焊缝位置。其次，分段数越多，焊接部位就越多，存在的缺陷也就越多，这会造成梁体质量较低，应力集中和残余变形多；
同时，临时胎架的数量也会相应增加，造成起重机、人力等资源的浪费，不符合经济性的要求。除此之外，还会削弱主梁的抗剪刚度，影响结构的安全和耐久性。若分段数太少，则每个分段的重量会偏大，超出起重范围，在施工时会难以控制。更重要的是，韩滩双岛大桥的运输条件极为有限，过大的分段无法运输进场拼装。
最终确定的解决韩滩双岛大桥主梁分块问题的技术路线为：
第一，先根据设计确定的12m 节段为纵向分块长度，然后根据上述原则进行横向分块研究。
第二，通过进行顶板典型宽度的焊接分析，获得焊接的参与变形和残余应力分布情况与峰值情况。初步选取获得横向的分块。
第三，根据横线分块，分别建立分块的有限元模型，进行吊装施工态有限元分析，获得结构的变形、局部稳定性验算，以验证合理性。
第四，将焊接计算的残余变形利用BIM 计入拼装模型，进行BIM 带缺陷的数字化预拼装，检验最终吊装到位、焊接之后钢梁的整体质量情况。
2.2 基于BIM 技术的模拟预拼装
模拟预拼装的组成可分为多个构件拼装拟合和单个构件尺寸检验两个部分，在预拼装模拟阶段选择应用计算机技术手段，可以取得良好的实体拼装效果，与实体预拼装操作方法相比，模拟处理的方式取得的效果更好。当前阶段，在模拟预拼装操作环节存在两种类型的处理方式：第一种是比对实测坐标点和理论坐标点之间的关系，这种处理方式的实质完全等同于实体预拼装；
第二种是比对分析实测模型和理论模型。
比对分析实测模型和理论模型的过程，是以设计阶段或设计图纸搭建的理论模型为依据，加工完成各类零部件以后，再对其展开测量，完成实测模型构建，对拼装的过程进行模拟。
比对分析实测坐标点和理论坐标点的过程，按照理论模型完成对应的坐标系构建，主要的测量控制点可选择构件尺寸关键控制点，完成拼装以后再进行测量，将获得的实际坐标值录入计算机设备中，转化坐标，并拟合对比分析理论模型中的控制点坐标值。
2.3 小节
桥梁纵向分段、横向分块的施工方案，并利用BIM+FEM 技术对分块方案进行优化，有效解决了制造、运输、吊装和拼装等方面的施工难题，既保证了施工质量，又加快了施工进度。
利用BIM 技术对钢结构构件空间立体模拟，通过提前碰撞检测，可对设计图纸进行深化与审核，有效解决设计图纸中出现的遗漏、错误、偏差等各类问题，从而最大化地降低后续设计与施工阶段的变更概率，提高设计与施工进度，保证施工质量。
由于条件限制，采用全桥顶推的施工工艺，将钢箱梁从中间往两边全桥顶推，为国内同类型桥梁施工首次采用。
钢箱梁采用单节钢箱梁划分为8 个小节段，最重节段为50.5t，在厂内进行加工制作，运输至现场后，采用2 台56t 龙门吊吊装至拼装平台进行组拼，组拼按照“3+1”的模式进行，组拼完成后，采用800t 步履式千斤顶顶推至设计位置。步履顶顶升顶由1 台400t和2 台200t 千斤顶构成，最大顶升15cm，顶推顶由2个30t 千斤顶组成，每次行程30cm。滑箱两侧设4 个纠偏顶，单次可纠偏5cm。全桥共设置36 台步履顶。
钢箱梁顶推施工过程中存在的问题：
钢箱梁顶推过程中，最多需18 台步履式千斤顶同时作业，在钢箱梁无应力制造线形中要设置预拱度，预拱度是变曲率竖曲线。在实施钢箱梁顶推工程期间，支撑位置的竖向反力相对较大，在临时墩的钢箱梁位置会出现动态性的转角位移。若是在施工操作期间出现钢箱梁顶推不同步的现象，将导致设置预拱度的梁底与支承面接触不均匀，钢箱梁的受力将变得不利。因此，如何保证多达18 台步履式千斤顶同步顶推及线型控制是研究的重难点。在钢箱梁顶推过程中，既要确保主梁线形及临时墩受力，保证导梁扰度控制，又要保证横向位移受控，这一过程技术难度大、安全风险高。
3.1 基于FEM 推顶施工全过程分析
目前，国内对于钢箱梁步履式顶推施工技术一般采用有限元模拟研究，或根据监测数据进行实际工程研究，较少有将两者结合的研究。文章以韩滩双岛大桥的施工工艺为依据展开分析，在结构施工过程中选择使用钢箱梁步履式顶推模式，通过应用MIDAS/Civil（迈达斯工程软件）完成桥梁各构件的有限元模型构建，综合采用有限元和现场监测的技术手段保障施工安全，对主桥部分的施工具有指导作用。
以韩滩双岛大桥实际结构为原型，使用有限元软件MIDAS/Civil 建立大桥的顶推施工模型，设定桥梁顶推施工整体配置，模拟桥梁顶推的施工工序，并将整个施工工作分为多个阶段，分析每一个施工阶段的受力情况，计算顶推施工中梁段自重、钢导梁受力情况及悬臂端变形等对钢箱梁受力的影响。模拟结果表明，随着顶推长度的不断增加，最大位移、应力也随之增大。
主要施工阶段应力：最大应力发生在桁架部分，为141.5MPa，且各工况最大应力均小于限值，后续参考也可适当增加顶推长度。
临时墩在施工过程中的最大反力：顶推过程中各墩顶支点反力均较小，最大为18300kN，最不利临时墩为节点313 处的临时墩。
经过对钢箱梁顶推施工阶段分析，其总体计算结果步履机最大反力为658.8t，故按最大反力来计算。顶推器顶面垫梁有效长度为1200mm，钢箱梁腹板厚20mm，因此，顶推过程中钢箱梁腹板的局部压应力为：
满足规范要求。
由以上计算分析可知，各结构受力满足要求。为进一步保证顶推安全，可适当增设加劲板，控制钢箱梁线形。
3.2 基于BIM 技术实时监测仿真
采用三维视频融合技术，将现实中视频监控所拍摄的画面与BIM 三维场景数据全时空立体融合；
在系统中控制摄像头的视角和画面时，虚拟摄像头会实时同步，实现虚拟模型与现实施工情况的对比。在施工过程中，经常会出现某部分施工完成后，发现与图纸模型有差距，如果此时再进行返工，就会造成材料浪费以及工期拖延。而通过平台的施工现场传感器采集数据上传并与图纸和模型进行数据分析，当出现错误时，管理者会收到报警信息，及时发现施工错误，再通过现场视频观察后进行后期规划，能把施工错误造成的损失降到最低。
以设计完成的施工图为依据，对项目工程的施工作业颗粒度做出分析，与项目工程的施工进度计划进行结合，模拟和预演施工资源应用和施工进度计划调整措施，保证项目工程在作业期间可以实现科学化的动态管理和施工控制。主要采用BIM 技术模拟整个顶推过程，并应用BIM 技术来实现施工监测。
在实施钢梁顶推工程期间，要合理化控制钢梁线形，同时对其施工过程做出严格控制。钢箱梁顶推施工进行全程模拟的监控计算、跟踪计算及误差调整，整体把握顶推施工全程的结构受力变形状态，形成施工控制目标值序列并对各施工状态做出实时预测及误差修正。对钢箱梁施工进行监测，主要是为了控制梁体制作精度、施工观测导梁挠度、应力以及各临时支墩沉降、偏位等，确保顶推阶段拼接顺利。钢箱梁在制造及施工的不同阶段会表现出几种不同的线形，包括设计成桥线形、制作线形、安装线形及顶推线形等；
根据监控理论计算主梁成桥预拱度并制作预拱度示意图，便于在施工操作过程中进行控制。
进行顶推施工同步性监控，需要在步履机液压油缸前端安装红外监控系统，实时监控各步履顶的同步性并实时调整。利用BIM 仿真监控技术辅助线形控制，在项目工程施工期间通过规划与安装虚拟摄像头设备，将摄像头所拍摄的详细画面与虚拟摄像头所拍摄的BIM 模型情况展开一对一的对应，在系统中控制摄像头的视角和画面时，虚拟摄像头会实时同步，实现虚拟模型与现实施工情况的对比，及时将不同步或偏差的情况形成数据化反馈，作为调整梁段的参考。
3.3 小结
基于韩滩双岛大桥钢箱梁步履式顶推施工，采用MIDAS/Civil 软件建立桥梁各典型工况下顶推施工有限元模型，对各工况钢箱梁顶推至最不利位置时钢箱梁关键截面应力状态及导梁前端位移进行计算，综合采用有限元和现场监测的技术手段保障施工安全，对主桥部分的施工具有指导作用。
通过BIM 实时监测仿真技术，有效规避了钢箱梁施工过程中监控数据散乱、整理困难、信息反馈缓慢等问题，提升了桥梁施工智能化管理水平，大大降低了钢箱梁线形监测施工难度。钢箱梁施工完成后，经第三方桥梁监测单位复核，主桥钢箱梁的桥面线形基本达到预期的成桥预拱度要求，桥面线形顺畅。
综上所述，BIM+FEM 协同技术应用于宽幅钢箱梁的优化分块和整体顶推，可以为桥梁工程的优化设计和施工提供强有力的帮助。借助FEM 有限元软件，可以对桥梁结构进行细部分析，也可以对桥梁进行施工阶段分析，优化了桥梁结构，保障了工程结构安全和施工的顺利进行；
借助BIM 技术，可以对构件空间立体布置进行可视化模拟，优化施工方案，有效解决施工图中的设计缺陷，提升施工质量。因此，将BIM 和FEM 结合应用，可更好地提高工程质量、施工效率和施工管理水平。
