Maids Civil 在阿爾塔什水利樞紐工程中的運用分析

惠 康

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

阿爾塔什水利樞紐工程是一座以灌溉、防洪、生態(tài)、發(fā)電為開發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程，位于新疆維吾爾自治區(qū)的葉爾羌河上，工程為大(1)型Ⅰ等工程。擋水建筑物為砂礫石面板堆石壩，泄洪建筑物主要有：1#和2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞；底孔排沙放水洞分為：1#和2#深孔放空排沙洞；發(fā)電系統(tǒng)主要有：引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電廠房等。本工程建設(shè)規(guī)模大，施工周期短，壩址兩岸山體陡峭，單項建筑物地形條件復(fù)雜，為保證工程施工期進度質(zhì)量，下游阿爾塔什跨河橋成為左岸交通要道。在滿足工程壩體填筑任務(wù)的前提下，跨河橋設(shè)計荷載超過公路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為水利工程施工特殊荷載，上部結(jié)構(gòu)無法參考公路標(biāo)準(zhǔn)圖集。由于荷載特殊，橋梁需進行復(fù)核驗算。前期工程經(jīng)驗表明，Midas Civil 軟件可設(shè)計和驗算橋梁的梁、柱截面，計算分析橋梁整體穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強度[1]，優(yōu)化跨河橋結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 阿爾塔什水利樞紐工程平面布置圖

圖2 跨河橋橋型布置圖

1 橋梁布置概況

阿爾塔什跨河橋位于壩址下游約1.3 km，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，總跨徑360 m，每跨30 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋，三跨一聯(lián)布置。左岸0 號橋臺和右岸12號橋臺采用樁柱式橋臺，1～11 號橋墩采用鋼筋砼樁柱式橋墩。

1.1 橋型布置

阿爾塔什跨河橋設(shè)計原則是安全、適用、經(jīng)濟、美觀。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進、施工條件經(jīng)濟、美觀、成熟的常規(guī)結(jié)構(gòu)體系；孔徑及位置的布設(shè)結(jié)合水文計算數(shù)據(jù)、經(jīng)濟、施工、養(yǎng)護和運行的實際狀況。項目地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境脆弱，植被稀少，工程應(yīng)依托自然環(huán)境，盡量避免大的開挖，盡量減少工程量和工程造價。

1.2 上部結(jié)構(gòu)橫斷面

永久橋設(shè)計荷載等級為汽-60 級，設(shè)計洪水按P=2%水庫運行期下泄流量計算，橋長368 m，總跨徑360 m，每跨30 m，采用三跨一聯(lián)、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)，行車道寬9.0 m，兩側(cè)設(shè)置0.75 m 人行道+0.5 m 防撞護欄。橋梁橫斷面見圖2。為簡化計算，提高計算精度，建立三跨一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)模型進行計算。

圖3 跨中截面圖（尺寸單位：mm）

1.3 下部結(jié)構(gòu)

跨河橋下部采用雙柱式墩，雙柱墩和蓋梁形成框架結(jié)構(gòu)共同受力，雙柱墩的墩頂和墩底兩處彎矩最大，在設(shè)計過程中設(shè)置縱向鋼筋。為提高雙柱墩結(jié)構(gòu)強度，以橋梁中跨的下部結(jié)構(gòu)為研究對象（第二聯(lián)下部結(jié)構(gòu)），按照墩高7 m 進行荷載驗算。

1.4 邊界條件

軟件中模型邊界條件為結(jié)構(gòu)的外部約束，約束節(jié)點位移。采用有限元軟件MIDAS civil 將全橋離散為多個節(jié)點和單元，采用空間梁單元模擬方法對主梁、橋墩、樁基進行模擬。主梁的縱橋向邊界條件按照連續(xù)梁的邊界條件設(shè)定，5#墩墩頂處設(shè)定為固定支座，其他支座為滑動支座。橫橋向位移和豎向位移與蓋梁上的支座對應(yīng)節(jié)點主從連接（墩主梁從）。為簡化計算模型，模擬過程中二期恒載只計質(zhì)量不計剛度。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 建模分析

使用Midas Civil 建立上壩交通橋模型，上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，跨徑3 m×40 m，橫橋向多片T 梁采用橫向聯(lián)系梁和橫隔板連接，橋?qū)?1.25 m。Midas civil 建立模型共計1248 個單元，804 個節(jié)點，如圖3：

圖3 阿爾塔什跨河橋整體模型圖

荷載組合采用全橋布置滿載汽車-60 級車型，車輛間距15 m。采用MIDAS CIVIL 程序?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)任意一聯(lián)進行計算，并利用MIDAS 的設(shè)計功能進行PSC 截面設(shè)計。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先預(yù)制，后現(xiàn)澆濕接頭（連續(xù)梁體系）的施工方法。建模時為真實模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)實際線形，建立平面梁單元模型進行模擬。按照《公路橋梁通用設(shè)計規(guī)范》需進行持久正常使用極限狀態(tài)計算和持久承載能力極限狀態(tài)驗算，考慮結(jié)構(gòu)的抗裂、抗彎、抗剪驗算以及支座反力。

依照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB-18306 規(guī)定，本項目區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2 g，需對跨河進行E1 和E2 兩個階段抗震計算。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的規(guī)定，橋梁需驗算水平向地震作用下的橋梁強度，即縱橋向和橫橋向的作用，豎向地震作用可不考慮。采用反應(yīng)譜法進行橋梁抗震分析，取前300 階振型，按CQC 法進行振型組合，利用SRSS 組合擬定方向。荷載組合按以下兩種方式組合：①恒載+縱向地震荷載；②恒載+橫向地震荷載。

2.2 靜力計算結(jié)果分析

采用madis civil 對橋梁結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)模擬計算，運行計算工況為汽車-60 級車隊荷載，按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進行設(shè)計[4-6]，對橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用如下：

2.2.1 應(yīng)力驗算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D62-2004）》第7.1.5-1 條，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)。madis civil 對橋梁結(jié)構(gòu)正截面混凝土法向壓應(yīng)力的驗算結(jié)果見圖4。并依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D62-2004）》第7.1.5 條進行壓應(yīng)力驗算：

式中：σkc為受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的有效應(yīng)力；σpt為由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力。

經(jīng)計算滿足規(guī)范要求。

圖4 正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗算結(jié)果圖形

2.2.2 正截面抗彎承載能力驗算

madis civil 對橋梁結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力的驗算結(jié)果見圖5，通過對使用階段正截面抗彎驗算結(jié)果分析，上部結(jié)構(gòu)混凝土箱梁各界面部位的抗彎承載力規(guī)范要求，即滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第

5.1.5 條構(gòu)件承載力的規(guī)范要求。

圖5 正截面抗彎承載能力驗算結(jié)果圖形

2.3 抗震計算結(jié)果分析

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB-18306，本項目的區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2 g。依照新疆防御自然災(zāi)害研究所《新疆阿爾塔什水利樞紐工程場地地震安全性評價報告》，工程場區(qū)壩址區(qū)50 年超過概率10%的場地基巖峰值加速度為0.18 g，工程區(qū)為Ⅷ度地震基本烈度。依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，本項目統(tǒng)一采用0.2 g 進行抗震計算。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01) 規(guī)定，本項目橋梁為C 類橋梁，需進行E1 和E2 兩個階段進行抗震計算[7-8]。

2.3.1 E1 作用結(jié)果分析

在E1 地震作用過程中，橋梁結(jié)構(gòu)為彈性構(gòu)件。經(jīng)過計算結(jié)構(gòu)彎矩曲率，得出截面初始彎矩，并采用混凝土和鋼筋強度的設(shè)計值進行橋梁截面彎矩曲率分析。驗算結(jié)果顯示，E1 地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)偏心受壓承載力驗算成果、軸心抗壓承載力驗算成果、軸心受壓承載力驗算成果及正截面軸心抗壓承載能力等結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求，即本橋梁結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

2.3.2 E2 作用結(jié)果分析

在E2 地震作用過程中，橋梁結(jié)構(gòu)為彈塑性構(gòu)件。經(jīng)過計算結(jié)構(gòu)彎矩曲率，得出極限彎矩值，并取鋼筋和混凝土強度的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值進行結(jié)果分析；軸力驗算過程中，以地震荷載和自重作用下的軸力為計算軸力。驗算結(jié)果顯示[10]，在E2 地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的偏心受壓承載力、軸心抗壓承載力、正截面軸心抗壓承載能力及軸心受壓承載力等均滿足規(guī)范要求，即橋梁結(jié)構(gòu)的位移驗算滿足要求。

3 結(jié)語

文章采用目前運用較為廣泛的橋梁計算軟件madis civil對阿爾塔什水利樞紐工程永久跨河橋進行荷載驗算。通過運用軟件對橋梁結(jié)構(gòu)的靜荷載、動荷載工況進行模擬，得出橋梁靜力計算結(jié)果及抗震計算結(jié)果均符合規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)可滿足工程運用。同時，結(jié)果顯示，madis civil 能較好的對橋梁荷載進行驗算。通過對橋梁整體上部結(jié)構(gòu)與橋墩進行整體建模，真實模擬各類運行工況，分析最不利荷載組合作用下，橋梁各個截面的受力狀況，計算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。本文所得結(jié)論為阿爾塔什水利樞紐工程大壩填筑工程提供了理論依據(jù)，可直接應(yīng)用在今后的橋梁設(shè)計中。