MIDAS/CIVIL軟件在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬 蘭

（青海民族大學(xué)交通學(xué)院 青海 西寧 810007）

MIDAS/CIVIL軟件在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬 蘭

（青海民族大學(xué)交通學(xué)院 青海 西寧 810007）

數(shù)值有限元計(jì)算是進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的重要手段，Midas Civil具有多功能有限元分析功能。結(jié)合某一連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)，在確定橋梁跨徑、梁高和斷面尺寸的前提下，利用Midas的建模計(jì)算進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配束優(yōu)化，結(jié)果表明橋梁的變形控制良好，梁體應(yīng)力狀態(tài)滿足要求，充分驗(yàn)證了Midas Civil 用于橋梁設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)異性。

Midas Civil；橋梁設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力配束；有限元計(jì)算

Midas Civil是多功能結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，既涵蓋豐富的單元類型和分析方法，可以用作通用計(jì)算分析；又內(nèi)嵌多個(gè)國家規(guī)范，可以用作專用結(jié)構(gòu)的配筋、驗(yàn)算、分析等。在結(jié)構(gòu)類型越復(fù)雜、施工工藝越豐富、數(shù)值計(jì)算越重要的背景下，Midas Civil已經(jīng)在我國得到廣泛應(yīng)用，成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)和施工的重要工具[1,2]。

橋梁是重要結(jié)構(gòu)工程，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營特征，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也顯著差別與普通的建筑結(jié)構(gòu)。橋梁設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)的過程，通過設(shè)定初始截面尺寸，考慮橋梁的施工過程和工法，配置預(yù)應(yīng)力鋼筋使得橋梁在施工和運(yùn)營中均能保證良好的狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和截面設(shè)計(jì)是相輔相承的過程，需要借助有限元計(jì)算軟件才能高效率、準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)型式和精細(xì)化配筋[3]，優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)安全和運(yùn)營長期性能。

論文結(jié)合一個(gè)連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)，充分利用Midas Civil的有限元分析功能，建立空間桿系結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合 Midas的便宜計(jì)算手段和配筋方法，闡述 Midas Civil應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)中的重要性和準(zhǔn)確性，提高橋梁設(shè)計(jì)效率。

1.依托工程概述

某區(qū)域擬采用標(biāo)準(zhǔn)兩跨連續(xù)梁標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)型式跨越淺灘河堤作為引橋結(jié)構(gòu)，該區(qū)域石料豐富，為了充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧希瑪M采用現(xiàn)場澆筑的施工方法。橋梁的標(biāo)準(zhǔn)跨徑擬定為 25m，以相等跨徑的型式跨越，橋梁的建設(shè)需要滿足雙向六車道公路I級的車輛通行需求。

根據(jù)上述建設(shè)需求，確定的梁體縱向立面布置和橫截面布置如下圖所示，梁高1.6m，是跨徑的0.64，采用多箱多室截面提高橋梁的整體抗扭性能，主橋結(jié)構(gòu)采用C50混凝土；在確定了橋梁總體布置和截面尺寸后，需要根據(jù)橋梁的施工工法設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的配置數(shù)量和線形，以保障橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程和運(yùn)營荷載作用下，受力安全、變形合理。采用MIDAS CIVIL空間有限元計(jì)算軟件，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的配束和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1.設(shè)計(jì)橋梁的立面和橫斷面總體布置

2.基于MIDAS CIVIL的橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 橋梁MIDAS模型建立

圖4.梁體預(yù)應(yīng)力初步配置形狀

圖5.梁體預(yù)應(yīng)力Midas建模優(yōu)化

建立空間桿系模型，共劃分單元78個(gè)，節(jié)點(diǎn)79個(gè)，如下圖2所示。考慮混凝土的徐變、收縮等性能，考慮結(jié)構(gòu)自重、施工臨時(shí)荷載、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、運(yùn)營結(jié)構(gòu)整體升降溫、梯度溫度、支座沉降、車輛荷載等作用類型。施工中僅考慮一次落架、二期鋪裝和十年徐變?nèi)齻€(gè)施工階段。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線型配置和數(shù)量，而預(yù)應(yīng)力的確定需要以保障橋梁施工、運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)受力安全需求為目標(biāo)。

圖2.橋梁總體MIDAS有限元離散模型

2.2 預(yù)應(yīng)力初步設(shè)計(jì)與配置

基于目前的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 1860MPa，彈性模型 1.95×105MPa。根據(jù)橋梁的整體澆筑施工工法，主要采用滿堂支架施工，當(dāng)施工中梁體達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除整體支架橋梁結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行受力，其彎矩的分布如下圖所示：拆除支架后中間支座承受負(fù)彎矩，梁體跨中承受正彎矩；施加二期鋪裝和荷載后，彎矩的分布型式保持不變；十年徐變后，結(jié)構(gòu)的彎矩分布同樣保持相同的形狀。運(yùn)營荷載主要考慮汽車活載的作用，汽車荷載作用下的梁體彎矩包絡(luò)如下所示，因此預(yù)應(yīng)力的配筋應(yīng)該能夠保證恒活載作用下梁體應(yīng)力處于限值水平。

圖3.荷載作用下橋梁彎矩分布型式

基于上述考慮，結(jié)合已有的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力的配束型式和立面線形初定如下圖所示，共有三種預(yù)應(yīng)力鋼束：頂板通常束T，用于儲備頂板的預(yù)壓應(yīng)力；底板通常束D，用于儲備底板預(yù)壓應(yīng)力；腹板下彎束F，與恒活載彎矩走勢一致，儲備應(yīng)用的壓應(yīng)力。確定了上述鋼束類型和形式后，通過MIDAS調(diào)索計(jì)算，以控制施工二期恒載工況和運(yùn)營短期組合工況為基礎(chǔ)，保證梁體應(yīng)力滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)要求：下緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力，上緣壓應(yīng)力控制在0.5fck以內(nèi)。

2.3 預(yù)應(yīng)力優(yōu)化確定

基于上述的優(yōu)化目標(biāo)，采用 Midas調(diào)束方法，調(diào)整鋼束線形、數(shù)量等，達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力狀態(tài)，最終確定的鋼束線形、類型和數(shù)量結(jié)果如下：鋼束線形基本遵從圖4的初步線形，說明數(shù)值分析的橋梁受力狀態(tài)與章節(jié)2.2的分析一致；鋼束類型及數(shù)量所需配置如下表1和圖6所示，通過上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，梁體的受力狀態(tài)良好。

表1.各鋼束類型及數(shù)量確定

F3 15-12 8 T1 15-12 12 D1 15-12 8 TT1 15-12 18 D1’ 15-12 8 TT1’ 15-12 18

圖6.預(yù)應(yīng)力鋼束在梁端部的位置設(shè)計(jì)

3.MIDAS優(yōu)化的橋梁性能驗(yàn)證

借助MIDAS分析工具和優(yōu)化方法，基于上述的預(yù)應(yīng)力配束設(shè)計(jì)和梁體截面基本信息，驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中各種荷載作用下的變形和受力，參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)，驗(yàn)算結(jié)果如下。

3.1 橋梁變形

考慮橋梁施工三個(gè)重要階段及運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)荷載組合，橋梁的變形結(jié)果如下表 2所示，可知橋梁整體在預(yù)應(yīng)力作用下上撓，即便是運(yùn)營荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合作用下仍然呈上撓趨勢，說明橋梁整體狀態(tài)良好，預(yù)應(yīng)力儲備充足，橋梁運(yùn)營過程中不容易出現(xiàn)下?lián)系炔『Α?/p>

表2.施工階段及荷載組合下橋梁變形

3.2 橋梁應(yīng)力狀態(tài)

分析橋梁施工全過程和運(yùn)營階段短期、長期和標(biāo)準(zhǔn)組合的各種結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算要求，橋梁的最大和最小應(yīng)力狀態(tài)如下表 3所示，可知梁體在施工階段和運(yùn)營階段均保持上下緣處于受壓狀態(tài)，短期組合作用下有3.5Mpa的壓應(yīng)力儲備；標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最大壓應(yīng)力為15.2MPa，均能夠滿足規(guī)范的受力要求。

表3.施工全過程和運(yùn)營各組合工況下橋梁應(yīng)力狀態(tài)

同時(shí)，驗(yàn)算持久狀況下的斜截面拉應(yīng)力和壓應(yīng)力結(jié)果如下圖 7所示，可知最大拉應(yīng)力為 0.8Mpa，滿足的要求；最大壓應(yīng)力為 152.Mpa，滿足的要求。綜上可知，通過Midas的優(yōu)化設(shè)計(jì)，橋梁結(jié)構(gòu)整體受力安全滿足要求。

圖7.斜截面應(yīng)力安全性驗(yàn)算結(jié)果

4.結(jié)論

Midas是進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的多功能有限元分析軟件，有效地利用該分析軟件能夠最大效率地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。論文結(jié)合某一連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)，借助MIDAS有限元分析的便易性，在確定橋梁梁高、跨徑布置、截面構(gòu)造尺寸等基本信息之后，開展了MIDAS的預(yù)應(yīng)力筋配束及線形設(shè)計(jì)，通過有效地迭代計(jì)算分析，確定了最難的預(yù)應(yīng)力配束，計(jì)算結(jié)果顯示：橋梁在各種施工階段及荷載組合作用下梁體均上撓，儲備了較高的壓應(yīng)力，同時(shí)正截面和斜截面最大應(yīng)力為15.2Mpa，正截面均保持受壓及不低于2Mpa的壓應(yīng)力儲備，斜截面最大拉應(yīng)力僅0.8MPa，均滿足受力要求。橋梁整體性良好，充分驗(yàn)證了MIDAS CIVIL用于橋梁設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)異性。

[1]張建鋒,陳燕霞,趙雅雷.MIDAS/CIVIL軟件在橋梁施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，四川水泥，2012(3):71+76

[2]李國平.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)及設(shè)計(jì)原理[M].北京: 人民交通出版社,2004.

[3]芮斌,張華平,秦雪映,陳祥勇.有限元計(jì)算在復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)配筋中的應(yīng)用[J].科技資訊,2009 (22): 163-164.

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1007-6344（2016）10-0016-02

馬蘭，女，（1985.06），回族，2007年7月畢業(yè)于長安大學(xué)道路橋梁與渡河工程（橋梁工程）專業(yè)，碩士。青海民族大學(xué)2015年本科教學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2015—BKJXQN-03