長安大橋設計系列之異形鋼塔曲面優化

概述:目前複雜橋樑的設計日趨增多,特別是異形曲面結構發展,傳統二維設計手段已經難以滿足這種設計發展的快速需求。而借助 達梭系統CATIA 強大的曲面功能很好地解決這種曲面設計難題。

1、工程概況

長安大橋(圖1)斜跨永定河蓮石湖區,斜交角度約57°,主跨為280m。主塔塔柱順河道方向斜置,塔柱壁板成為異形扭曲面。

圖1 長安大橋三維模型

 

2 、塔柱壁板扭曲面設計

長安大橋鋼塔造型為傾斜的橢圓形扭曲拱圈,由於塔柱在順橋向的“邁步”,同時塔柱由底部的矩形變化到頂部的平行四邊形,使橋塔壁板形成空間扭曲面形式。該橋塔柱壁板設計的最大難點在於如何控制塔柱壁板曲面的形成,既利於結構受力,又有利於加工製造。

CATIA 設計平臺的曲面功能極其強大,最終利用 “CATIA 的直紋掃略功能”作為鋼塔曲面壁板的形成方式,其優點如下:

1)對於不規則空間曲線,直紋掃略所形成的曲面其高斯曲率較優,便於後期板件加工時曲面展開,同時也有利於節段塊件的成型控制。

2)相比其他簡單曲面成型方法,直紋掃略面多一條脊線作為構建曲面的控制條件,引導曲線間用來掃略用的直線與脊線始終保持垂直關係。在鋼塔的節段劃分時,該建模方法可以使垂直於脊線的節段埠四邊始終保持直線,便於後期節段吊裝時的精度控制及介面拼裝。

以下簡單介紹一下塔柱軸線控制及壁板曲面設計及優化過程。

2.1 塔柱軸線

塔柱軸線及控制邊線如圖2所示。

                                                                 a.平面關係          b. 投影關係

圖2 塔柱軸線及控制邊線

 

現以矮塔為例給出軸線方程的匯出過程。

1)矮塔軸線的橫斷面投影曲線方程為:

(1)

2)矮塔軸線順橋向立面投影方程為:

 (2)

矮塔南肢:

 (3)

式中x為順橋向,y為橫橋向,z為豎直向上,座標原點在橋面位置。

聯合公式(1)~(3)即可得到矮塔塔柱空間軸線方程組。

塔柱邊線與塔柱軸線的形成方式類似,塔柱外邊線在橫斷面上的投影在橋面板以上均為橢圓形,邊線均為橢圓形筒面與傾斜的平面相交得到,與塔柱軸線公式一致。壁板邊線輔以塔柱軸線通過直紋掃略形成的壁板面,從底到頂均為空間扭曲面,給製造加工及結構受力方面都帶來了一定影響。

 

2.2 壁板曲面優化

壁板邊線優化調整原則:保持壁板邊線橫斷面投影橢圓方程不變,將翼緣板底部門洞頂附近位置以下調整為平面,在中上部設置部分空間點在原邊線上,通過空間曲線擬合重新生成一條曲率連續的空間曲線,通過新生成的壁板邊線來控制直紋掃略形成壁板曲面。這樣處理後的塔柱壁板面既不影響塔柱的外觀,同時通過適當調整壁板控制邊線,簡化了局部空間幾何關係,達到了改善局部受力,降低加工製造難度的目的。

 

圖3 壁板邊線優化調整

經過優化調整,塔柱頂部翼緣板高斯曲率值除了局部小範圍內不為零外,其餘大部分範圍內的高斯曲率基本上為零。通過調整曲面的形成方式,極大的改善了曲板的高斯曲率分佈及值的大小,使曲板在一定容差範圍內可以實現展開,實現了曲面板的可加工性。

 

3 、結論

與常規橋樑相比,長安大橋的一個突出特點就是曲板,同時也是設計的難點。利用CATIA強大的曲面功能很好地解決了長安大橋異形扭曲鋼塔的設計與優化問題,為大橋設計的完成奠定了堅實的基礎。

 

________________________________________________________

關於達梭系统:

達梭系统成立於1981年,作為一家為全球客戶提供3DEXPERIENCE解决方案的領導者,達梭系统為企業和客戶提供虚擬空間以模擬可持續創新。其全球領先的解決方案改變了產品在設計、生產和技術支持上的方式。達梭系统的協作解決方案更是推動了社會創新,擴大了透過虛擬世界來改善真實世界的可能性。達梭系统為140多個國家超過22萬個不同行業、不同規模的客戶帶來價值。