MIDAS/CIVIL軟件在橋梁設計中的應用

馬 蘭

（青海民族大學交通學院 青海 西寧 810007）

MIDAS/CIVIL軟件在橋梁設計中的應用

馬 蘭

（青海民族大學交通學院 青海 西寧 810007）

數值有限元計算是進行橋梁設計的重要手段，Midas Civil具有多功能有限元分析功能。結合某一連續梁橋的設計，在確定橋梁跨徑、梁高和斷面尺寸的前提下，利用Midas的建模計算進行預應力配束優化，結果表明橋梁的變形控制良好，梁體應力狀態滿足要求，充分驗證了Midas Civil 用于橋梁設計的可行性和優異性。

Midas Civil；橋梁設計；預應力配束；有限元計算

Midas Civil是多功能結構有限元分析軟件，既涵蓋豐富的單元類型和分析方法，可以用作通用計算分析；又內嵌多個國家規范，可以用作專用結構的配筋、驗算、分析等。在結構類型越復雜、施工工藝越豐富、數值計算越重要的背景下，Midas Civil已經在我國得到廣泛應用，成為結構工程師設計和施工的重要工具[1,2]。

橋梁是重要結構工程，由于其結構特點和運營特征，其結構設計也顯著差別與普通的建筑結構。橋梁設計是一個循環的過程，通過設定初始截面尺寸，考慮橋梁的施工過程和工法，配置預應力鋼筋使得橋梁在施工和運營中均能保證良好的狀態。預應力設計和截面設計是相輔相承的過程，需要借助有限元計算軟件才能高效率、準確地確定結構型式和精細化配筋[3]，優化橋梁設計安全和運營長期性能。

論文結合一個連續梁橋的設計，充分利用Midas Civil的有限元分析功能，建立空間桿系結構模型，結合 Midas的便宜計算手段和配筋方法，闡述 Midas Civil應用于橋梁設計中的重要性和準確性，提高橋梁設計效率。

1.依托工程概述

某區域擬采用標準兩跨連續梁標準結構型式跨越淺灘河堤作為引橋結構，該區域石料豐富，為了充分利用當地建筑材料，擬采用現場澆筑的施工方法。橋梁的標準跨徑擬定為 25m，以相等跨徑的型式跨越，橋梁的建設需要滿足雙向六車道公路I級的車輛通行需求。

根據上述建設需求，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，主橋結構采用C50混凝土；在確定了橋梁總體布置和截面尺寸后，需要根據橋梁的施工工法設計預應力的配置數量和線形，以保障橋梁結構在施工過程和運營荷載作用下，受力安全、變形合理。采用MIDAS CIVIL空間有限元計算軟件，進行預應力的配束和優化設計。

圖1.設計橋梁的立面和橫斷面總體布置

2.基于MIDAS CIVIL的橋梁設計優化

2.1 橋梁MIDAS模型建立

圖4.梁體預應力初步配置形狀

圖5.梁體預應力Midas建模優化

建立空間桿系模型，共劃分單元78個，節點79個，如下圖2所示。考慮混凝土的徐變、收縮等性能，考慮結構自重、施工臨時荷載、二期恒載、預應力、運營結構整體升降溫、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三個施工階段。設計的難點在于確定預應力鋼絞線的線型配置和數量，而預應力的確定需要以保障橋梁施工、運營階段結構受力安全需求為目標。

圖2.橋梁總體MIDAS有限元離散模型

2.2 預應力初步設計與配置

基于目前的橋梁設計經驗，采用低松弛高強度預應力鋼絞線作為標準，其標準強度 1860MPa，彈性模型 1.95×105MPa。根據橋梁的整體澆筑施工工法，主要采用滿堂支架施工，當施工中梁體達到一定強度后，拆除整體支架橋梁結構整體進行受力，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，結構的彎矩分布同樣保持相同的形狀。運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如下所示，因此預應力的配筋應該能夠保證恒活載作用下梁體應力處于限值水平。

圖3.荷載作用下橋梁彎矩分布型式

基于上述考慮，結合已有的橋梁設計經驗，預應力的配束型式和立面線形初定如下圖所示，共有三種預應力鋼束：頂板通常束T，用于儲備頂板的預壓應力；底板通常束D，用于儲備底板預壓應力；腹板下彎束F，與恒活載彎矩走勢一致，儲備應用的壓應力。確定了上述鋼束類型和形式后，通過MIDAS調索計算，以控制施工二期恒載工況和運營短期組合工況為基礎，保證梁體應力滿足全預應力構件設計要求：下緣不出現拉應力，上緣壓應力控制在0.5fck以內。

2.3 預應力優化確定

基于上述的優化目標，采用 Midas調束方法，調整鋼束線形、數量等，達到目標應力狀態，最終確定的鋼束線形、類型和數量結果如下：鋼束線形基本遵從圖4的初步線形，說明數值分析的橋梁受力狀態與章節2.2的分析一致；鋼束類型及數量所需配置如下表1和圖6所示，通過上述優化設計，梁體的受力狀態良好。

表1.各鋼束類型及數量確定

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.預應力鋼束在梁端部的位置設計

3.MIDAS優化的橋梁性能驗證

借助MIDAS分析工具和優化方法，基于上述的預應力配束設計和梁體截面基本信息，驗算橋梁結構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應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62-2004)，驗算結果如下。

3.1 橋梁變形

考慮橋梁施工三個重要階段及運營標準荷載組合，橋梁的變形結果如下表 2所示，可知橋梁整體在預應力作用下上撓，即便是運營荷載的標準組合作用下仍然呈上撓趨勢，說明橋梁整體狀態良好，預應力儲備充足，橋梁運營過程中不容易出現下撓等病害。

表2.施工階段及荷載組合下橋梁變形

3.2 橋梁應力狀態

分析橋梁施工全過程和運營階段短期、長期和標準組合的各種結構安全性驗算要求，橋梁的最大和最小應力狀態如下表 3所示，可知梁體在施工階段和運營階段均保持上下緣處于受壓狀態，短期組合作用下有3.5Mpa的壓應力儲備；標準組合作用下最大壓應力為15.2MPa，均能夠滿足規范的受力要求。

表3.施工全過程和運營各組合工況下橋梁應力狀態

同時，驗算持久狀況下的斜截面拉應力和壓應力結果如下圖 7所示，可知最大拉應力為 0.8Mpa，滿足的要求；最大壓應力為 152.Mpa，滿足的要求。綜上可知，通過Midas的優化設計，橋梁結構整體受力安全滿足要求。

圖7.斜截面應力安全性驗算結果

4.結論

Midas是進行結構計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計質量。論文結合某一連續梁橋的設計，借助MIDAS有限元分析的便易性，在確定橋梁梁高、跨徑布置、截面構造尺寸等基本信息之后，開展了MIDAS的預應力筋配束及線形設計，通過有效地迭代計算分析，確定了最難的預應力配束，計算結果顯示：橋梁在各種施工階段及荷載組合作用下梁體均上撓，儲備了較高的壓應力，同時正截面和斜截面最大應力為15.2Mpa，正截面均保持受壓及不低于2Mpa的壓應力儲備，斜截面最大拉應力僅0.8MPa，均滿足受力要求。橋梁整體性良好，充分驗證了MIDAS CIVIL用于橋梁設計的可行性和優異性。

[1]張建鋒,陳燕霞,趙雅雷.MIDAS/CIVIL軟件在橋梁施工結構設計中的應用[J]，四川水泥，2012(3):71+76

[2]李國平.橋梁預應力混凝土技術及設計原理[M].北京: 人民交通出版社,2004.

[3]芮斌,張華平,秦雪映,陳祥勇.有限元計算在復雜混凝土結構配筋中的應用[J].科技資訊,2009 (22): 163-164.

U45

B

1007-6344（2016）10-0016-02

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