[分享]大跨度桁架结构优化设计BIM应用

时间: 2020-08-01 06:54 阅读:

烦恼
大跨度桁架结构的钢筋节点复杂、预应力张拉难度大,运用 BIM 技术能解决建筑,公路、地铁、桥梁等工程施工中的技术问题,但是现阶段运用 BIM 技术解决复杂预应力结构的实例较少,尤其是在大跨度预应力结构探索 BIM 技术与数值模拟相结合的研究偏少见。
本文以渝黔铁路新线遵义东站项目为工程背景,为大家整理了这篇运用BIM技术对车站屋面桁架结构复杂节点进行深化设计的图文。通过模型设计、钢筋碰撞检查优化实现桁架结构高效、精准加工与安装;预应力钢筋张拉仿真模拟预测了各种张拉方案下构件力学性能,通过对比分析确定最佳张拉方案,以确保构件的安全,希望对类似工程有参考意义。



工程背景

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工程概况

遵义东站项目位于遵义市南侧红花岗区阎村镇,该站房类型为线侧平式车站,主体结构采用钢筋混凝土框架结构,屋面局部采用预应力混凝土桁架结构,桁架预应力杆件布置见图1。

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注:粗虚线为预应力杆件
图1 屋面桁架预应力杆件布置图


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工程技术难点

(1)桁架节点联接样式多,节点处钢筋复杂,CAD 图纸可视化程度低,造成施工人员正确理解设计意图有难度;
(2)车站大量预应力构件和普通混凝土构件交错布置,节点处大量普通钢筋与预应力波纹管、梁柱钢筋在节点锚固之间有干扰,给施工带来了很大困难;
(3)施工中进行各桁架杆件预应力张拉时,不同的张拉顺序会引起桁架杆件中混凝土压应力、拉应力不同,有可能造成混凝土开裂。


BIM应用

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建模软件

目前用于 BIM 建模的软件有 Revit,Bentley,Xsteel 以及 CATIA 系列软件。结合本工程特点,项目组采用 Revit2016 进行桁架结构复杂节点模型建立及分析应用。

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钢筋碰撞检查及优化

桁架预应力下弦 YKL,腹杆 XZ4-2,预应力腹杆 YXZ4-1 相交于节点 4-12。其各个构件的平法配筋、节点模型见图2。

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(a) 下弦节点配筋构造
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(b) 节点4-12模型
图2 节点各构件配筋及模型图
按照平法施工图,节点 4-12 的 YKL 纵筋与 YXZ4-3、XZ4-3 的纵筋发生碰撞,见图3(b)。 优化时将将 WKL上部纵筋由原来的 8/2,调整为 6/4,见图3(c)。XZ4-4,YXZ4-3 内侧纵筋进入节点,向下伸入节点底部进行锚固时,会在预应力束波纹管附近空间狭小处形成堵塞,可通过空间平滑微弯。

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(a) WKL 调整前断面
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(b) WKL 与 YXZ4-3、XZ4-3 碰撞
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(c) WKL 调整后断面
图3 WKL 纵筋与腹杆纵筋碰撞检查
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施工过程仿真分析


预应力筋张拉施工是预应力混凝土结构施工的关键工序,本项目采用有限元分析软件 ABAQUS 对该项目桁架四的各种张拉方案进行仿真模拟,以确定最佳张拉方案,确保施工的安全可靠。
方案①:YKL—YXZ4-5—YXZ4-3—YXZ4-8—YXZ4-1;
方案②:YKL—YXZ4-5—YXZ4-3—YXZ4-1—YXZ4-8;
方案③:YKL—YXZ4-3—YXZ4-5—YXZ4-1—YXZ4-8;
方案④:YKL—YXZ4-3—YXZ4-5—YXZ4-8—YXZ4-1。

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图4 最大主应力分布图(单位:MPa)

(1)张拉方案仿真模拟
在不同施工阶段,桁架四张拉方案①的应力分布见图4、图5,其中应力图中正值为拉,负值为压。从图4、图5 的应力图可以看出,在张拉端和锚固端应力过大,出现应力集中现象。这是由于建模时未考虑张拉和锚固端部的加固,按实际情况对锚具下混凝土的局部承压强度进行验算,锚头下间接钢筋的配置均满足端部锚固区的混凝土局部承压要求,此外,桁架其它部位的应力均满足最大主应力要小于 2.39MPa 最小主应力的绝对值要大于26.8MPa 的要求。

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图5 最小主应力分布图(单位:MPa)

(2)张拉方案比较
除去张拉端和锚固端部的应力集中区域及柱子的应力情况,在不同工况下各构 件承受的最大主应力的最大值和最小主应力绝对值的最大值见图6。由图6可知,方案③在最大主应力值(混凝土拉应力)和最小主应力值(混凝土压应力)的比较中优于其它方案。对竖向位移值进行比较分析,可发现四种方案在不同工况的竖向位移都很小,差异不大。综上所述桁架四张拉顺序选择方案③

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图6 各张拉方案在不同工况下混凝土应力与位移
应用 BIM 技术有效地解决了遵义东站预应力屋面桁架结构施工的难题。通过模型设计、 钢筋碰撞检查优化实现了桁架结构高效、精准加工与安装,预应力钢筋张拉仿真模拟预测了各种张拉方案下构件力学性能,以便于对比分析确定最佳张拉方案,确保构件的安全。基于 BIM 与数值分析相结合,可较大程度地降低成本,提高施工效率,提高工程技术人员者对施工过程的可控能力, 实现建筑项目施工的安全可靠性



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