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水利水電勘測設計研究院，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、發電為開發目標的控制性水利樞紐工程，位于新疆維吾爾自治區的葉爾羌河上，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；發電系統主要有：引水系統、電站廠房、生態基流發電系統和發電廠房等。本工程建設規模大，施工周期短，壩址兩岸山體陡峭，單項建筑物地形條件復雜，為保證工程施工期進度質量，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的前提下，跨河橋設計荷載超過公路規范標準，為水利工程施工特殊荷載，上部結構無法參考公路標準圖集。由于荷載特殊，橋梁需進行復核驗算。前期工程經驗表明，Midas Civil 軟件可設計和驗算橋梁的梁、柱截面，計算分析橋梁整體穩定性及結構強度[1]，優化跨河橋結構[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，設計洪水標準為50年一遇，總跨徑360 m，每跨30 m。橋梁上部結構采用裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋，三跨一聯布置。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

阿爾塔什跨河橋設計原則是安全、適用、經濟、美觀。在結構設計上采用結構合理、技術先進、施工條件經濟、美觀、成熟的常規結構體系；孔徑及位置的布設結合水文計算數據、經濟、施工、養護和運行的實際狀況。項目地區自然生態環境脆弱，植被稀少，工程應依托自然環境，盡量避免大的開挖，盡量減少工程量和工程造價。

1.2 上部結構橫斷面

永久橋設計荷載等級為汽-60 級，設計洪水按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、裝配式預應力混凝土箱型連續梁上部結構，行車道寬9.0 m，兩側設置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，建立三跨一聯上部結構模型進行計算。

圖3 跨中截面圖（尺寸單位：mm）

1.3 下部結構

跨河橋下部采用雙柱式墩，雙柱墩和蓋梁形成框架結構共同受力，雙柱墩的墩頂和墩底兩處彎矩最大，在設計過程中設置縱向鋼筋。為提高雙柱墩結構強度，以橋梁中跨的下部結構為研究對象（第二聯下部結構），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構的外部約束，約束節點位移。采用有限元軟件MIDAS civil 將全橋離散為多個節點和單元，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梁的邊界條件設定，5#墩墩頂處設定為固定支座，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節點主從連接（墩主梁從）。為簡化計算模型，模擬過程中二期恒載只計質量不計剛度。

2 計算結果及分析

2.1 建模分析

使用Midas Civil 建立上壩交通橋模型，上部結構為三跨預應力混凝土連續梁，跨徑3 m×40 m，橫橋向多片T 梁采用橫向聯系梁和橫隔板連接，橋寬11.25 m。Midas civil 建立模型共計1248 個單元，804 個節點，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 程序對上部結構任意一聯進行計算，并利用MIDAS 的設計功能進行PSC 截面設計。橋梁上部結構采用先預制，后現澆濕接頭（連續梁體系）的施工方法。建模時為真實模擬橋梁上部結構實際線形，建立平面梁單元模型進行模擬。按照《公路橋梁通用設計規范》需進行持久正常使用極限狀態計算和持久承載能力極限狀態驗算，考慮結構的抗裂、抗彎、抗剪驗算以及支座反力。

依照《中國地震動參數區劃圖》GB-18306 規定，本項目區域地震基本烈度為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《公路橋梁抗震設計細則》的規定，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 靜力計算結果分析

采用madis civil 對橋梁結構進行靜力學模擬計算，運行計算工況為汽車-60 級車隊荷載，按照A 類預應力混凝土構件進行設計[4-6]，對橋梁上部結構產生的作用如下：

2.2.1 應力驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTG D62-2004）》第7.1.5-1 條，荷載取其標準值，汽車荷載考慮沖擊系數。madis civil 對橋梁結構正截面混凝土法向壓應力的驗算結果見圖4。并依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTG D62-2004）》第7.1.5 條進行壓應力驗算：

式中：σkc為受拉區預應力鋼筋扣除全部預應力損失后的有效應力；σpt為由預應力產生的混凝土法向拉應力。

經計算滿足規范要求。

圖4 正截面混凝土法向壓應力驗算結果圖形

2.2.2 正截面抗彎承載能力驗算

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

5.1.5 條構件承載力的規范要求。

圖5 正截面抗彎承載能力驗算結果圖形

2.3 抗震計算結果分析

根據《中國地震動參數區劃圖》GB-18306，本項目的區域地震基本烈度為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》，工程場區壩址區50 年超過概率10%的場地基巖峰值加速度為0.18 g，工程區為Ⅷ度地震基本烈度。依據相關設計規范，本項目統一采用0.2 g 進行抗震計算。根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01) 規定，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 作用結果分析

在E1 地震作用過程中，橋梁結構為彈性構件。經過計算結構彎矩曲率，得出截面初始彎矩，并采用混凝土和鋼筋強度的設計值進行橋梁截面彎矩曲率分析。驗算結果顯示，E1 地震作用下的橋梁結構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構強度均滿足規范要求，即本橋梁結構強度滿足要求。

2.3.2 E2 作用結果分析

在E2 地震作用過程中，橋梁結構為彈塑性構件。經過計算結構彎矩曲率，得出極限彎矩值，并取鋼筋和混凝土強度的設計標準值進行結果分析；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。驗算結果顯示[10]，在E2 地震作用下橋梁結構的偏心受壓承載力、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范要求，即橋梁結構的位移驗算滿足要求。

3 結語

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構的靜荷載、動荷載工況進行模擬，得出橋梁靜力計算結果及抗震計算結果均符合規范要求，橋梁結構可滿足工程運用。同時，結果顯示，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構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，計算結果準確、可靠。本文所得結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，可直接應用在今后的橋梁設計中。