复杂钢箱拱桥的三维设计
一、桥梁项目基本情况介绍引桥一：3×20m单箱双室预应力连续箱梁，梁高1.4m，位于R=250平曲线上；主桥：中承式箱型拱桥，主梁采用钢混组合结构，上面是混凝土板，下面为钢格子梁，梁高1.5m，主梁全长245m，采用2%纵坡；引桥二：20m预应力简支箱梁，梁高1.4m。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-b93450babd28b7aa?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图一：主梁横断面http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-678562f3525b1080?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图二：钢箱拱纵立面二、传统软件的设计难度1、原设计有较大变更：BIM建模过程中，由于业主对主桥是否建立人行道尚未确定，桥面宽度存在变更的可能，传统软件在这种大变更的情况下，基本只能重新建模。2、复杂的细部结构：每节段钢格子梁的隔板都不是标准件，且隔板距离不尽相同，不能简单地通过复制粘贴来实现。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-483e97fdd7e4d9ba?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图三：纵梁立面图3、复杂曲线、曲面建模：钢箱拱由拱轴线是由一条幂函数构成，传统设计软件对这种复杂曲线通过多段线拟合，设计调整导致的数据核算比较困难。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-d98e238da95c180e?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图四：主梁立面图三、百木科技达索BIM解决方案 1、实时协同设计：项目经理对项目进行合理的分工划分，每位工程师只需完成各自所负责的部分；钢箱拱、格子梁、引桥、桥面系分开同时建模，然后通过组装，得到完整的桥梁模型，提升建模效率。 2、参数化建模：CATIA建模过程中通过特征参数发布，可以很方便地捕获历史设计和模板化。桥梁设计的本质其实是构造参数的确定，建立参数驱动的参数化模型有多种好处：（1）模型调整变得快捷——通过参数调整模型，提高设计效率；（2）模型可重复利用——桥梁设计不再是大量重复，而是可积累可继承的过程。 本项目中，梁宽出现变更，通过发布梁宽参数，当项目变更完成后，我们通过简单地调整梁宽参数，得到目标模型；这也体现CATIA的核心竞争力——参数化快速调整模型。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-f18442ab4bc973cc?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图五：梁宽为12m格子梁构件
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图六：梁宽为14m格子梁构件3、自定义模板：属于参数化建模的高级运用。一般以参数和骨架作为输入，定义构件跟输入之间的几何逻辑关系，实现批量实例化的目的，从而极大的提高建模效率。以格子梁为例，通过发布横隔板间距作为参数，隔板间距不同，可以通过在模板实例化过程中，调整每个节段隔板的距离实现不同节段格子梁的批量建模。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-659e6a49e38a0654?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图七：边纵梁隔板距离1.8mhttp://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-fb34f5044899bd32?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图八：边纵梁隔板距离1.4m4、曲面设计：钢箱拱是复杂空间曲面，在传统二维设计中是难以表达清楚，采用CATIA进行三维设计可以通过定义法则曲线得到拱轴线，再通过拱轴线形成曲面，再对曲面进行加厚，得到三维的钢箱拱。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-ccc8f5680bbe2b10?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图九：定义法则曲线得到拱轴线http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-7732b7392c507ff6?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十：钢箱拱模型 5、有限元分析，将CATIA中的三维模型导入有限元分析软件，对BIM模型进行二次利用，省去了在有限元软件中前处理建模的时间，大大提高了分析效率，同时也保证分析模型与三维模型的一致性。达索建模优势从CATIA模型到ABAQUS模型的转换为了在后处理中能够直观的查看每个板件的的应力应变云图， 以及便于对各个板件进行网格的划分。所以，在CATIA软件上将部件的每个板件分别作为一个（*.igs）格式导出，再分别导入ABAQUS软件中，装配后得到ABAQUS模型图，如图十一所示。在吊杆连接的孔口处使用映射网格划分，以获得质量较好的网格，其他板件采用自由网格划分，得到整体模型网格如图十二所示。对模型施加适当的边界边界条件和荷载之后就可以进行有限元分析了。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-cd75e3ef7c6dfa91?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十一http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-0e393121dbbf931e?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十二模型的有限元分析有限元分析完成之后，就可以查看整体模型的MISES应力云图了，以及各个板件的应力云图。如图十三～十六所示。由图5可知，整个模型的应力主要集中在与吊杆连接的圆孔处，除了该点处，其他板件都没有达到屈服强度（350MPa），整个结构的所有板件强度满足要求。http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-da73e6ea9f35ec03?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十三http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-8cb959f3dadf79cb?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十四http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-879614e3511b4500?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十五http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-fbc14cb3a1aceee8?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十六四、CATIA建模成果展示http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-d7cb459aa360a6cf?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十七：拱座模型http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-fc5ba4271f9aaea6?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十八：吊杆与吊杆横梁连接部位http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-2eb5f2301dbda24d?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图十九：吊杆模型http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-84cf4730a564fe02?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图二十：防护栏杆模型http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14929993-d1d08e9fa4449d1e?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240
图二十一：桥梁模型
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