Midas/Civil軟件在橋梁高敦施工中的應(yīng)用

許建文

【摘 要】臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路土建工程施工SD3合同段臥龍溝2號特大橋橋梁高墩施工是整個項目的重難點工程。文章介紹了使用Midas/Civil軟件建立空間模型、準(zhǔn)確模擬受力，進(jìn)行現(xiàn)澆支架受力計算的全過程模擬。分析結(jié)果表明，Midas/Civil軟件的應(yīng)用高效地簡化了橋梁支架的設(shè)計及方案優(yōu)化過程，其計算結(jié)果能真實地反映工程施工實際，有效控制預(yù)拱度，同時為滿足支架安全和設(shè)計要求、節(jié)約成本提供可靠的保證。

【關(guān)鍵詞】高墩系梁；支架；施工計算；施工預(yù)拱度

【中圖分類號】U445.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0127-04

在近年來如火如荼的工程建設(shè)過程當(dāng)中，因臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計或施工不當(dāng)?shù)仍蚨l(fā)的安全事故屢見不鮮，其原因主要有以下幾個方面：①現(xiàn)場實際施工過程未能按照預(yù)定的設(shè)計方案實施，設(shè)計與施工出現(xiàn)嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象；②結(jié)構(gòu)計算過于簡化，僅考慮使用狀態(tài)受力情況，未能反映結(jié)構(gòu)施工過程當(dāng)中的真實受力狀態(tài)，導(dǎo)致臨時結(jié)構(gòu)施工發(fā)生安全事故。Midas/Civil軟件作為通用的大型空間有限元分析軟件，適用于橋梁工程、地下工程、港口工程、工業(yè)建筑、壩體等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，特別是針對橋梁工程結(jié)構(gòu)，Midas/Civil軟件能較好地滿足國內(nèi)當(dāng)前規(guī)范與使用習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計等方面都有不俗的表現(xiàn)，得到橋梁結(jié)構(gòu)工程人員的廣泛認(rèn)可?？傊跇蛄旱脑O(shè)計施工及科學(xué)研究當(dāng)中，利用計算機進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析及優(yōu)化設(shè)計儼然成為當(dāng)今社會的共同趨勢，Midas/Civil軟件作為施工方案計算及優(yōu)化的有效計算工具得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

與此同時，設(shè)置施工預(yù)拱度主要是為了消除施工過程中各種荷載對線性的影響[3]，經(jīng)過Midas/Civil軟件計算出支架變形量，可為設(shè)置預(yù)拱度提供有效參考。本文結(jié)合臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路土建工程施工SD3合同段臥龍溝2號特大橋系梁支架設(shè)計方案，利用Midas/Civil對支架受力進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，并提出了有效的解決措施，確保預(yù)拱度的設(shè)置滿足要求，保障整個施工過程中的安全[4]。

1 工程概況

臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路土建工程施工SD3合同段起于臨夏縣刁祁鄉(xiāng)轉(zhuǎn)咀村西南，設(shè)樞紐互通立交與臨合高速公路K22前后相接，之后路線向北以高架橋上跨擬建蘭合鐵路、臨夏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、大夏河和G568線，設(shè)隧道穿越大廟山，進(jìn)入老鴉關(guān)河谷，頃河谷南側(cè)山腳階地逆流布設(shè)至臥龍溝口，利用龍巴卡村山梁進(jìn)行回頭展線，之后順臥龍溝坡面上行至三岔坪林場，跨越臥龍溝，利用鴉鴿臺村西側(cè)坡面設(shè)置回頭展線，后穿越臥龍溝南側(cè)山梁，再次跨越臥龍溝，順北側(cè)坡面布線，設(shè)隧道穿越太子山自然保護(hù)區(qū)至路線終點甘青兩省交界，與青海省規(guī)劃的循化至達(dá)里加段公路順接。起點為K17+948，終點為K28+149，路線全長9.787 km。設(shè)計采用雙向四車道全封閉標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為80 km/h，整體式路基寬度為24.5 m。其中，控制性工程為上跨省道S310的臥龍溝2號特大橋。臥龍溝2號特大橋主橋墩身采用爬模施工，小樁號引橋及大樁號引橋空心薄壁墩采用翻模施工。

臥龍溝2號特大橋全長1 818 m，按9聯(lián)設(shè)置，跨徑組成為2×（4×40）m+（75+3×140+75）m+4×（4×40）m+3×40 m+4×40 m。上部結(jié)構(gòu)：第1、2、4～9聯(lián)上部為40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁，為先簡支后連續(xù)體系，單幅橋面寬12.5 m，每跨橫向由4片梁構(gòu)成，現(xiàn)澆濕接縫。第3聯(lián)主橋上部采用（75+3×140+75）m五跨預(yù)應(yīng)力混凝變截面連續(xù)剛構(gòu)體系。其中，主墩為10#（高144 m）、11#墩（高162 m），均為矩形空心薄壁截面，壁厚70 cm，橫橋向截面尺寸為7.0 m。在橋梁橫向方向設(shè)置6 m長系梁連接左右主墩，系梁斷面尺寸如圖1所示。

2 工程自然條件

2.1 地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性

臥龍溝2號特大橋橋址區(qū)地貌屬山前洪積殘梁及溝谷。橋址跨越S310省道及臥龍溝溝谷。橋址處溝谷呈寬“U”形。谷深相對高差較大，最大約190 m。橋址處溝底寬闊，溝底大部分為房屋、農(nóng)田或林地；橋軸線與該溝基本正交。

橋址區(qū)地層在鉆孔揭示深度范圍內(nèi)由第四系全新統(tǒng)洪積物（Q4pl）、沖洪積物（Q42al+pl）、坡洪積物（Q4dl+pl）、上更新統(tǒng)洪積物（Q3pl）、下更新統(tǒng)冰水沉積物（Q1fgl）、加里東期早期（δ）全風(fēng)化-中風(fēng)化閃長巖及第三系（N21）強風(fēng)化-中風(fēng)化礫巖組成。橋址區(qū)地層在鉆孔揭示深度范圍內(nèi)自上而下依次為硬塑狀態(tài)的含碎石粉質(zhì)黏土、硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土、稍密-密實狀態(tài)的粉土、中密-密實狀態(tài)的卵石、全風(fēng)化-中風(fēng)化閃長巖、強風(fēng)化-中風(fēng)化礫巖為主。

2.2 氣象條件

本項目區(qū)位于臨夏縣境內(nèi)，地處黃土高原向青藏高原的過渡地帶，氣候?qū)儆诟吆帩駳夂?。垂直差異大，光照充裕，降水較多，長冬無夏，春秋短促，且溫差變化明顯，降水多，氣候多變。

（1）氣溫。年平均氣溫為1.5～4.8 ℃，1月平均氣溫為-7.7～10.3 ℃；7月平均氣溫為12.6～15.9 ℃，歷年極端最高氣溫可達(dá)30 ℃，歷年極端最低氣溫為-28.5 ℃。

（2）降雨與蒸發(fā)量。年平均降水量為451～818 mm，多集中于7～9月，約占全年降水量的56.9%。年平均蒸發(fā)量約1 264.2 mm，相對濕度多年平均為65%。

（3）風(fēng)。主要以西北風(fēng)為主，春季風(fēng)速較大，最大風(fēng)速為18.0 m/s，沿線年平均風(fēng)速為1.6 m/s。

（4）降雪及凍土。一般降雪在11月至次年3月，最大積雪深度可達(dá)15～16 cm，本段最大凍土深度為140 cm，凍土日期從11月下旬至翌年3月中下旬。

（5）水文地質(zhì)。橋址區(qū)地表水主要為臥龍溝河河流，河床坡降較小，屬于常年性河流，平常河水流量較小，雨季流量增大?？辈炱陂g河水深度約0.40 m。河水補給來源主要為大氣降水及上游地表徑流補給。該河流屬山區(qū)河流。

（6）交通條件。沿線主要公路為省道S310，下穿臥龍溝2號特大橋主橋，墩位多處于山嶺陡坡處，通行條件較差，需修建臨時施工便道自省道接入。

3 支架系統(tǒng)初步擬定

擬定在左右幅主墩內(nèi)側(cè)各安裝3個牛腿（28雙槽鋼制作）；左右側(cè)牛腿上各放置一條36C雙槽鋼制作的大梁；大梁上方放置I32c主梁（順橋方向共計13條）；主梁上放置間距50 cm的I14“工”字鋼作為分配梁；分配梁上鋪設(shè)鋼板作為系梁箱梁恒重、模板重量和其他施工荷載的承重平臺，支架布置圖如圖2、圖3所示。

4 主橋主墩系梁施工主要步驟

在墩身施工至系梁位置時，預(yù)埋系梁施工預(yù)埋件，當(dāng)墩身施工超過系梁頂一定高度時，開始空心薄壁墩系梁施工。

（1）主墩爬模爬升通過系梁位置（注意牛腿預(yù)埋件設(shè)置），不影響爬模施工后，施工牛腿，搭設(shè)大梁、主梁、分配梁，鋪設(shè)鋼板。系統(tǒng)模板采用定型鋼模板，施工前將模板拼裝成整體，拼縫處粘貼雙面膠防止漏漿，模板豎向拼縫統(tǒng)一布置在立柱橫橋向側(cè)。模板安裝前，將接縫處打磨平順、清楚表面銹跡并均勻刷模板脫模劑，模板支護(hù)必須穩(wěn)定，以防混凝土施工時模板跑模；平臺四周各留1 m寬的人員通道，供操作人員安全施工。平臺四周設(shè)安全圍擋，用腳手管制作。人行爬梯采用活動式腳手架搭設(shè)并與平臺通道連接，形成人員上下施工安全通道。

（2）支架上澆筑系梁箱梁第一次混凝土，混凝土澆筑期間，由專人檢查預(yù)埋鋼筋等穩(wěn)固情況，對松動、變形、移位等情況，及時將其復(fù)位并固定好。底板混凝土終凝后，腹板澆筑至中部，完成第一次澆筑。注意腹板澆筑高度要嚴(yán)格控制，第一次澆筑混凝土未產(chǎn)生強度時，腹板底部主梁受力較大，大梁間距布置上，在腹板底部特意進(jìn)行了間距加密。

（3）澆筑系梁箱梁第二次混凝土。待第一層混凝土達(dá)到強度要求，箱梁內(nèi)部搭設(shè)鋼管支架，鋪設(shè)模板，進(jìn)行第二次混凝土澆筑。第一次澆筑的混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，第二次澆筑混凝土澆筑后可作為均布面荷載加載于支架上；砼澆筑完成后及時收水抹光，砼終凝后要采取覆蓋灑水養(yǎng)生，并經(jīng)常灑水保持濕潤。

（4）系梁側(cè)模的拆模時間要根據(jù)當(dāng)時的溫度，一般當(dāng)混凝土強度達(dá)到2.5 MPa時，即可拆側(cè)模，灑水濕潤后涂刷養(yǎng)護(hù)液養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于7 d；梁底支架及模板在混凝土強度達(dá)到規(guī)范要求后拆除（達(dá)到設(shè)計強度的75%），澆筑系梁與主墩設(shè)置的倒角。

（5）拆除牛腿支架，張拉系梁預(yù)應(yīng)力，系梁施工完成。

5 支架系統(tǒng)驗算

根據(jù)主墩系梁尺寸，系梁箱梁施工設(shè)計計算以臥龍溝2#特大橋10#、11#主墩方案為代表，進(jìn)行設(shè)計計算，其他墩類似，系梁箱梁重為14 m2（截面）×6 m×26 kN/m2=2 184 kN；模板和其他荷載按照系數(shù)0.2考慮；擬定采用主梁I32C“工”字鋼，分配梁I14“工”字鋼。

（1）荷載組合I：1×恒重（支架）+1.2×一期箱梁重；主梁最大應(yīng)力為1.01e+005 kN/m2（如圖4所示）；最大變形為11 mm（如圖5所示），小于1/400=15 mm的規(guī)范要求，滿足要求。

（2）荷載組合II：1×恒重（支架）+1.2×一期箱梁重受力情況+1.2×二期箱梁重；主梁最大應(yīng)力為1.49e+005 kN/m2，符合要求；主梁最大變形為12 mm，小于1/400=15 mm的規(guī)范要求（如果采用整體澆筑，支架變形達(dá)到18 mm，不滿足規(guī)范，所以需要采取分層澆筑方案）。主梁支架需設(shè)置1.2 cm預(yù)拱度（如圖6、圖7所示）。

（3）大梁計算：在荷載組合II作用下，主梁I32c底部反力（如圖8所示）為98+96+108+120×7+110+97+93=1 442 kN。由此計算的大梁36c雙槽鋼雙牛腿方案受力如圖9所示，支座處最大應(yīng)力為2.2e+005 kN/m2，接近屈服強度；采用三牛腿方案（如圖10所示），并采用1.2×荷載組合II加載，得到最大應(yīng)力為1.12e+005 kN/m2，三牛腿方案較合理（構(gòu)造上采用1 cm鋼板對支點位置補強）。

（4）牛腿計算：采用28雙槽鋼，1.2×荷載組合II加載，得到牛腿最大應(yīng)力為1.1e+005 kN/m2及相應(yīng)牛腿反力；變形不足1 mm（如圖11、圖12所示）。

從以上采用Midas/Civil軟件設(shè)計臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路臥龍溝2號特大橋主墩橫系梁支架過程來看，Midas/Civil軟件的應(yīng)用，極大地方便和簡化了橋梁支架的設(shè)計過程，確保了本方案的安全性和滿足了設(shè)計要求。

6 結(jié)語

目前，正在施工的臨夏雙城至達(dá)里加（甘青界）公路，地形復(fù)雜，橋梁高墩多，各種型鋼支架應(yīng)用頻繁。本文通過Midas/Civil軟件對上跨省道S310的臥龍溝2號特大橋現(xiàn)澆系梁的支架方案實例進(jìn)行空間建模及模擬計算綜合分析，相對于傳統(tǒng)的計算方法如手算，其計算過程精細(xì)明了，在真實模擬結(jié)構(gòu)的動態(tài)施工過程中，可以模擬各種工況下的支架結(jié)構(gòu)受力情況，其計算效率和計算精度得到很大程度的提高，而且非常有利于把控施工過程中的各種安全隱患。我們可以借助該施工過程的計算結(jié)果，在動態(tài)結(jié)構(gòu)施工及結(jié)構(gòu)優(yōu)化當(dāng)中，做到有的放矢，實現(xiàn)事半功倍。

總之，從整個計算過程來看，應(yīng)用Midas/Civil軟件能夠高效簡化橋梁支架的設(shè)計及優(yōu)化過程，其計算結(jié)果能較為真實地反映工程施工實際，有效確保預(yù)拱度的設(shè)置滿足要求，大大提高工作效率，從而保證整個施工過程的安全控制，大大節(jié)約施工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陶友海.Midas/Civil軟件在現(xiàn)澆梁支架模擬計算中的應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2012（4）.

[2]王昌興.Midas/Gen應(yīng)用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]何欽貴.Midas Civil軟件在連續(xù)梁預(yù)拱度設(shè)置中的應(yīng)用[J].山西科技，2013（2）.

[4]何欽貴.Midas Civil軟件在連續(xù)梁預(yù)拱度設(shè)置中的應(yīng)用[J].山西科技，2013（2）.

[5]肖典飛.論土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全性與經(jīng)濟(jì)性[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（15）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]