基于BIM的铁路预应力混凝土连续梁拱拱脚设计与施工深化研究

   

铁路预应力混凝土连续梁拱拱脚结构构造复杂，且近年来拱脚部位出现混凝土开裂等问题，在一定程度上影响连续 梁拱拱脚质量。针对这一现状，以BIM技术为手段，以一座(90+180+90)m 铁路预应力混凝土连续梁拱桥为研究对象，在 设计层面分别从竖向预应力束与根部撑板及交界处钢板等拱肋预埋件、多种受力主筋与三向预应力束、预埋拱肋定位立柱 与纵向横向预应力束等关键受力构件的干扰冲突入手进行优化；在施工层面分别从拱脚混凝土浇筑方案、钢筋加工种类、 构件施工精确定位、混凝土浇筑振捣等进行深化应用。结果表明：借助BIM技术可视化、参数化优势，建立施工图精度 的BIM模型，能够有效查看连续梁拱拱脚内各构件空间关系，进而开展深化设计及施工应用;在拱脚深化设计方面，对关 键受力部位从结构安全层面优化共计5处，从技术方案层面优化共计4处，能够有效提升设计质量与安全性能；在拱脚深 化施工应用方面从施工质量、效率与结构安全重要关键点上优化共计4处，更好地提升拱脚施工水平；成果在昌景黄铁路、 汕汕铁路等项目中的实践应用有效促进了拱脚设计与施工质量的提升。

图１ 主梁、拱肋与拱脚三维模型    

经调研，Tekla平台具有普通钢筋与预应力钢 束建模的开放性、高效性及钢结构深化应用上的 优势，基于该平台建立连续梁拱零号块与拱脚 精细化BIM模型，包含混凝土主体、纵向预应力、 横向预应力、竖向预应力、普通钢筋、钢管拱肋、 拱脚预埋件等各类构件信息，为优化钢筋、预应 力钢束及预埋件布置提供指导，整体模型如图2 所示，拱脚主要钢筋与预埋件布置如图3所示。

图2 铁路连续梁拱零号块与拱脚整体BIM模型    

图3 主梁、拱肋与拱脚三维拱脚主要钢筋与预埋件布置    

借助BIM可视化检查功能，对拱脚模型进行 碰撞检查，因拱脚内部无纵向与横向预应力束， 重点查找竖向预应力束与拱脚预埋件之间的碰撞 问题，并调整设计。拱脚作为拱肋与主梁之间的 传力通道，为防止由于拱脚至主梁的截面突变而 影响传力整体性，可将主梁墩顶的部分竖向预应 力钢束伸入拱脚内，增强其抗拉和抗剪性能。如 图4所示，竖向预应力束与拱肋预埋段根部斜向 圆形撑板干扰。

图4 预应力束与拱肋预埋段根部撑板干扰    

图5 调整后的竖向预应力束布置    

图6 交界处预埋钢板与竖向预应力束干扰    

图7 调整后的交界处预埋钢板与竖向预应力束    

利用BIM的三维可视化功能，重点查找拱脚 内部各类钢筋与纵向、横向、竖向预应力束之间 的干扰问题，并调整设计。由于拱肋的力要逐渐 传给混凝土，且受水平推力和弯矩的影响，拱管 与拱座正面接触处及周围存在较大的主压应力与 主拉应力，所以在与拱肋垂直的拱脚正面与拱脚 背面布置G1、G1’、G2系列三层纵向钢筋并与横 向钢筋形成钢筋网且伸入梁内一定长度。如图8 所示，拱脚前后两端直径为φ32mm的G1、G1’、 G 系列钢筋网与零号块顶板纵向预应力束发生 干扰。

图8 拱脚前后两端钢筋网与纵向预应力束干扰          

图9        调整后的拱脚前后两端钢筋网          

由于受拱脚水平推力和弯矩的影响，拱脚与 主梁零号块顶面交界处存在较大的主拉应力，所 以在纵向截面布置G5、G6、G10垂直拱肋方向 与G7顺拱肋方向的钢筋网并伸入主梁内一定长 度。垂直于拱肋轴向的拱脚内外层G5、G6、G10 钢筋网与零号块顶板横向预应力束发生干扰，如 图10所示。

图10        拱轴垂向钢筋网与横向预应力束干扰    

图11        调整后的拱轴垂向钢筋网          

图12        顺拱肋轴向钢筋网与横向预应力束干扰                      

图13        调整后的顺拱肋轴向钢筋网          

为加强钢管拱肋与混凝土拱脚的整体性，采 用G9’钢筋穿过拱肋钢管加劲纵肋N12钢筋穿 过拱肋腹板以及在拱管内部沿环向布置一定数量 纵筋的方式，且均锚固于拱脚中。拱肋预埋段腹 板穿拉筋、加劲纵肋穿拉筋均与竖向预应力束发 生干扰，如图14所示。

图14        穿拉筋与竖向预应力束干扰                      

图15 调整后的       穿拉筋                      

为确保拱脚处预埋拱肋的安装施工质量，拱 脚定位支架在设计与施工中应充分考虑支架本身 的承载力、拱脚混凝土浇筑时的支架稳定性、预 埋段的调整以及固结是否便利等因素。本桥釆用 型钢桁架结构，预埋定位立柱与横撑采用 ∠63×10mm型钢，拱肋间剪刀撑釆用∠100×10 mm型钢，为防止拱脚预埋段倾覆，型钢骨架与 拱肋预埋段接触的部位均应进行焊接，以防混凝 土浇筑时产生的浮力使拱肋发生偏位。借助BIM 可视化功能，发现预埋拱肋定位立柱与主梁顶部 纵向预应力束发生干扰，如图16所示。

图16        定位立柱与纵向预应力束干扰          

图17 调整后的       定位立柱          

预埋拱肋定位立柱与主梁顶部横向预应力束 发 生干扰，如图 18 所示。

图18        定位立柱与横向预应力束干扰    

在满足支架承载力与稳定性等条件的基础上， 通过调整预埋拱肋定位立柱的布置间距，以避开 横向预应力束，如图19所示。

图19 纵向调整后的       定位立柱    

受施工工期调整、现场施工条件等因素制约， 拱肋施工由竖向转体改为原位拼装，基于此，将 拱脚混凝土二次浇筑施工方案优化为一次浇筑。 二次浇筑法施工时拱脚钢筋网会影响部分竖向预 应力张拉空间，需截断之后焊接，如图20所示。 而一次浇筑法施工因竖向预应力束伸至拱脚外表 面，能够显著改善竖向预应力张拉空间，减少竖 向预应力损失，避免钢筋截断与焊接，提升结构 安全性；而且能够避免拱脚施工缝的存在与预埋 钢筋、拱肋因保护措施不到位引起的锈蚀，省去 拱脚联接铰施工与处理。

图20        钢筋网与竖向预应力张拉空间干扰          

图21        二次浇筑分界面钢筋网    

图22        拱脚三个区域的竖向预应力筋                

图23        零号块与拱脚混凝土浇筑顺序