随着经济不断发展，交通建设领域涌现出越来越多造型新颖的钢结构桥梁，这些复杂钢结构桥梁对于桥梁设计工作者提出了新的挑战。一方面，此类桥梁空间造型复杂，单纯依靠传统二维图纸设计存在困难，因此需要借助BIM技术可视化辅助设计^[1]；另一方面，复杂钢结构需要精细化有限元分析以达到结构安全和造型美观的平衡。

目前BIM软件大多无法实现复杂结构的有限元分析^[2]，而有限元分析软件的几何建模功能又相对较弱，针对这一问题许多学者开展了相关研究^[3]-[6]。陈志为^[5]等基于C#语言编制了Revit与ANSYS软件之间的程序接口；邹新^[6]等提出一种ACIS-API模型转换方法，实现Revit与ABAQUS之间的模型转换程序。但这类方法大多较为复杂，不便于大多数设计人员使用。

本文依托申张线青阳港航道整治工程震川大桥，基于Catia和Midas FEA NX软件进行复杂钢索塔BIM与有限元互联设计的探索，进一步对钢索塔构件受力特性开展研究，从而指导结构设计参数取值。

1 工程背景

震川桥为非对称钢拱塔斜拉桥，主桥跨径(90+140)m，斜拉索采用空间双索面布置。

桥梁小桩号大塔上共设有6组塔梁拉索+12组塔间拉索，大桩号小塔上共设有24组塔梁拉索+12组塔间拉索，索塔内采用钢锚箱的方式对斜拉索进行锚固。震川桥索塔共设置三个箱室，锚箱位于中间箱室，中间箱室两道腹板中心间距1740mm，锚箱处腹板厚度40mm，塔壁厚度30mm。

2 互联设计流程

2.1BIM模型导入

为了方便采用板单元计算，需对BIM模型进行取面处理，Catia提供了诸多便利的曲面处理功能，我们主要利用“曲面提取”、“曲面偏移”、“中间面”、“曲面拉伸”、“曲面切割”等命令对索塔节段实体模型进行处理，从而得到方便导入计算软件的曲面模型。

经过处理后的曲面模型可直接导入FEA NX计算软件，为了方便命名可以将各个部分曲面分别导出为step或iges格式，然后再分批导入FEA NX。针对部分复杂空间曲面，可以采用UG NX或Solidworks软件将Catia导出的文件转换为ParaSolid格式，以实现更好的曲面导入效果。

2.2几何模型处理

为了方便后续有限元网格划分，几何模型导入后要根据板件接触关系进行处理。针对整体相交的板件采用软件中的“面组合”功能将曲面组合成部件整体，针对部分相交的板件采用软件中的“印刻”功能在大板件上印刻出相交线。

几何模型处理完毕后，根据需要添加材料和属性特征，材料种类添加Q345qD类别，属性种类添加不同厚度的2D板单元类别、3D实体单元类别、刚性连接单元类别。

2.3有限元网格划分

在网格划分之前，利用软件的网格控制功能，对几何处理中印刻的相交线添加尺寸控制。对相邻构件其中之一完成尺寸控制设定后，需要对另一构件的相交线采用“相同播种线”功能设置相同的尺寸控制，从而避免网格划分后该相交线处出现单元无法对齐的状况。

完成尺寸控制之后即可开始单元网格划分，网格划分按照“从小到大，由内到外”的原则分部件进行，2D板单元网格采用“三角形+四边形”混合类型，单元播种方法采用根据尺寸分割。

每一步网格划分后利用软件自带的“显示单元自由边”功能检查是否有网格内部的自由边或缺损，同时检查是否存在局部单元划分质量不理想的情况。利用软件中“分割单元”、“合并节点”、“重新划分网格”等命令对局部网格质量进行修正。

2.4施加荷载和约束

根据几何建模中的加载顶点位置建立加载节点，将节段顶加载节点与节段顶面范围内节点之间建立刚性连接，将锚箱加载节点与拉索锚具螺母范围内锚垫板节点之间建立刚性连接。

从Midas Civil整体模型中找到对应节段位置，找出对应位置的基本组合内力；建立4个加载点位置的局部坐标系，在节段顶加载节点处施加基本组合下的轴力、两方向剪力和两方向弯矩和扭矩，在锚箱加载节点处施加基本组合下的拉索轴力；选择所有单元施加单元自重。

将节段底面范围内所有节点选中添加固定约束，添加分析工况，将所有网格、边界、荷载激活，即可进行有限元分析计算。

2.5动态调整设计参数

有限元计算完成后根据计算结果，对部分不满足要求的板件进行板厚或尺寸调整，板厚调整可以直接通过FEA NX中“修改网格参数”功能实现；简单尺寸调整可以直接在FEA NX中修改几何模型，然后局部划分网格计算即可；复杂尺寸调整可以通过Catia修改后重新局部导入几何模型，然后划分网格计算即可。

3 索塔节段有限元分析

3.1锚箱板厚比较分析

针对锚箱主要受力的顶板、底板和腹板进行板厚计算分析，当锚箱顶板、底板和腹板板厚均取25mm、30mm、34mm、40mm、45mm、50mm时，有限元计算锚箱最大应力和最大位移结果如下图所示：

由上图可知，随着锚箱顶板、底板和腹板的厚度增大，锚箱最大应力显著降低，但板厚超过40mm后应力降低幅度逐渐变小；另外锚箱最大位移随板厚增加变化不大，说明锚箱刚度主要受索塔其他板件影响。

3.2腹板板厚比较分析

针对索塔腹板进行板厚计算分析，当索塔腹板板厚取25mm、30mm、34mm、40mm、45mm、50mm时，有限元计算索塔腹板最大应力和最大位移结果如下图所示：

由上图可知，随着索塔腹板板厚增大，锚箱最大应力和最大位移显著降低，应力和位移下降幅度基本与板厚增加幅度成线性关系，说明索塔腹板应力和刚度主要受自身板厚影响。

3.3塔壁板厚比较分析

针对索塔壁板进行板厚计算分析，当索塔壁板板厚取22mm、26mm、30mm、34mm、38mm、42mm时，有限元计算索塔壁板最大应力和最大位移结果如下图所示：

由上图可知，随着索塔壁板板厚增大，塔壁最大应力和最大位移显著降低，塔壁厚度由22mm变化至26mm时，塔壁应力和位移下降幅度较大；超过30mm后塔壁应力和位移下降幅度基本与板厚增加幅度成线性关系，说明索塔壁板厚度在26mm以下厚度时刚度与索塔腹板不匹配，索塔壁板厚度在26mm以上时其应力和刚度主要受自身板厚影响