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长安大桥设计系列之“骨架+模板”技术应用

【摘要】:
概述:目前复杂桥梁的设计日趋增多,特别是异形曲面结构发展较快,传统二维设计手段已经难以满足这种设计发展的需求。借助CATIA强大的曲面功能很好地解决这种曲面设计难题。1、工程概况长安大桥(图1)斜跨永定河莲石湖区,斜交角度约57°,主跨为280m。主塔塔柱顺河道方向斜置,塔柱壁板成为异形扭曲面。 图1长安大桥三维模型2、塔柱壁板扭曲面设计长安大桥钢塔造型为倾斜的椭圆形扭曲拱圈,由于塔柱在顺桥向的“
 概述:目前复杂桥梁的设计日趋增多,特别是异形曲面结构发展较快,传统二维设计手段已经难以满足这种设计发展的需求。借助 CATIA 强大的曲面功能很好地解决这种曲面设计难题。
1、工程概况
长安大桥(图1)斜跨永定河莲石湖区,斜交角度约57°,主跨为280m。主塔塔柱顺河道方向斜置,塔柱壁板成为异形扭曲面。
 
图1 长安大桥三维模型
2 、塔柱壁板扭曲面设计
长安大桥钢塔造型为倾斜的椭圆形扭曲拱圈,由于塔柱在顺桥向的“迈步”,同时塔柱由底部的矩形变化到顶部的平行四边形,使桥塔壁板形成空间扭曲面形式。该桥塔柱壁板设计的最大难点在于如何控制塔柱壁板曲面的形成,既利于结构受力,又有利于加工制造。
CATIA 设计平台的曲面功能极其强大,最终利用 CATIA 的直纹扫略功能作为钢塔曲面壁板的形成方式,其优点如下:
1)对于不规则空间曲线,直纹扫略所形成的曲面其高斯曲率较优,便于后期板件加工时曲面展开,同时也有利于节段块件的成型控制。
2)相比其他简单曲面成型方法,直纹扫略面多一条脊线作为构建曲面的控制条件,引导曲线间用来扫略用的直线与脊线始终保持垂直关系。在钢塔的节段划分时,该建模方法可以使垂直于脊线的节段端口四边始终保持直线,便于后期节段吊装时的精度控制及接口拼装。
以下简单介绍一下塔柱轴线控制及壁板曲面设计及优化过程。
2.1 塔柱轴线
塔柱轴线及控制边线如图2所示。
 
a.平面关系          b. 投影关系
图2 塔柱轴线及控制边线
现以矮塔为例给出轴线方程的导出过程。
1)矮塔轴线的横断面投影曲线方程为: 
(1)
2)矮塔轴线顺桥向立面投影方程为:
矮塔北肢:      (2)
矮塔南肢:  (3)
式中x为顺桥向,y为横桥向,z为竖直向上,坐标原点在桥面位置。
联合公式(1)~(3)即可得到矮塔塔柱空间轴线方程组。
塔柱边线与塔柱轴线的形成方式类似,塔柱外边线在横断面上的投影在桥面板以上均为椭圆形,边线均为椭圆形筒面与倾斜的平面相交得到,与塔柱轴线公式一致。壁板边线辅以塔柱轴线通过直纹扫略形成的壁板面,从底到顶均为空间扭曲面,给制造加工及结构受力方面都带来了一定影响。
2.2 壁板曲面优化
壁板边线优化调整原则:保持壁板边线横断面投影椭圆方程不变,将翼缘板底部门洞顶附近位置以下调整为平面,在中上部设置部分空间点在原边线上,通过空间曲线拟合重新生成一条曲率连续的空间曲线,通过新生成的壁板边线来控制直纹扫略形成壁板曲面。这样处理后的塔柱壁板面既不影响塔柱的外观,同时通过适当调整壁板控制边线,简化了局部空间几何关系,达到了改善局部受力,降低加工制造难度的目的。
 
图3 壁板边线优化调整
经过优化调整,塔柱顶部翼缘板高斯曲率值除了局部小范围内不为零外,其余大部分范围内的高斯曲率基本上为零。通过调整曲面的形成方式,极大的改善了曲板的高斯曲率分布及值的大小,使曲板在一定容差范围内可以实现展开,实现了曲面板的可加工性。
 
3 、结束语
与常规桥梁相比,长安大桥的一个突出特点就是曲板,同时也是设计的难点。利用CATIA强大的曲面功能很好地解决了长安大桥异形扭曲钢塔的设计与优化问题,为大桥设计的完成奠定了坚实的基础。
 
以上内容转载自:达索系统大土木工程BIM发展联盟