MIDAS/CIVIL软件在桥梁设计中的应用

马 兰

（青海民族大学交通学院 青海 西宁 810007）

MIDAS/CIVIL软件在桥梁设计中的应用

马 兰

（青海民族大学交通学院 青海 西宁 810007）

数值有限元计算是进行桥梁设计的重要手段，Midas Civil具有多功能有限元分析功能。结合某一连续梁桥的设计，在确定桥梁跨径、梁高和断面尺寸的前提下，利用Midas的建模计算进行预应力配束优化，结果表明桥梁的变形控制良好，梁体应力状态满足要求，充分验证了Midas Civil 用于桥梁设计的可行性和优异性。

Midas Civil；桥梁设计；预应力配束；有限元计算

Midas Civil是多功能结构有限元分析软件，既涵盖丰富的单元类型和分析方法，可以用作通用计算分析；又内嵌多个国家规范，可以用作专用结构的配筋、验算、分析等。在结构类型越复杂、施工工艺越丰富、数值计算越重要的背景下，Midas Civil已经在我国得到广泛应用，成为结构工程师设计和施工的重要工具[1,2]。

桥梁是重要结构工程，由于其结构特点和运营特征，其结构设计也显著差别与普通的建筑结构。桥梁设计是一个循环的过程，通过设定初始截面尺寸，考虑桥梁的施工过程和工法，配置预应力钢筋使得桥梁在施工和运营中均能保证良好的状态。预应力设计和截面设计是相辅相承的过程，需要借助有限元计算软件才能高效率、准确地确定结构型式和精细化配筋[3]，优化桥梁设计安全和运营长期性能。

论文结合一个连续梁桥的设计，充分利用Midas Civil的有限元分析功能，建立空间杆系结构模型，结合 Midas的便宜计算手段和配筋方法，阐述 Midas Civil应用于桥梁设计中的重要性和准确性，提高桥梁设计效率。

1.依托工程概述

某区域拟采用标准两跨连续梁标准结构型式跨越浅滩河堤作为引桥结构，该区域石料丰富，为了充分利用当地建筑材料，拟采用现场浇筑的施工方法。桥梁的标准跨径拟定为 25m，以相等跨径的型式跨越，桥梁的建设需要满足双向六车道公路I级的车辆通行需求。

根据上述建设需求，确定的梁体纵向立面布置和横截面布置如下图所示，梁高1.6m，是跨径的0.64，采用多箱多室截面提高桥梁的整体抗扭性能，主桥结构采用C50混凝土；在确定了桥梁总体布置和截面尺寸后，需要根据桥梁的施工工法设计预应力的配置数量和线形，以保障桥梁结构在施工过程和运营荷载作用下，受力安全、变形合理。采用MIDAS CIVIL空间有限元计算软件，进行预应力的配束和优化设计。

图1.设计桥梁的立面和横断面总体布置

2.基于MIDAS CIVIL的桥梁设计优化

2.1 桥梁MIDAS模型建立

图4.梁体预应力初步配置形状

图5.梁体预应力Midas建模优化

建立空间杆系模型，共划分单元78个，节点79个，如下图2所示。考虑混凝土的徐变、收缩等性能，考虑结构自重、施工临时荷载、二期恒载、预应力、运营结构整体升降温、梯度温度、支座沉降、车辆荷载等作用类型。施工中仅考虑一次落架、二期铺装和十年徐变三个施工阶段。设计的难点在于确定预应力钢绞线的线型配置和数量，而预应力的确定需要以保障桥梁施工、运营阶段结构受力安全需求为目标。

图2.桥梁总体MIDAS有限元离散模型

2.2 预应力初步设计与配置

基于目前的桥梁设计经验，采用低松弛高强度预应力钢绞线作为标准，其标准强度 1860MPa，弹性模型 1.95×105MPa。根据桥梁的整体浇筑施工工法，主要采用满堂支架施工，当施工中梁体达到一定强度后，拆除整体支架桥梁结构整体进行受力，其弯矩的分布如下图所示：拆除支架后中间支座承受负弯矩，梁体跨中承受正弯矩；施加二期铺装和荷载后，弯矩的分布型式保持不变；十年徐变后，结构的弯矩分布同样保持相同的形状。运营荷载主要考虑汽车活载的作用，汽车荷载作用下的梁体弯矩包络如下所示，因此预应力的配筋应该能够保证恒活载作用下梁体应力处于限值水平。

图3.荷载作用下桥梁弯矩分布型式

基于上述考虑，结合已有的桥梁设计经验，预应力的配束型式和立面线形初定如下图所示，共有三种预应力钢束：顶板通常束T，用于储备顶板的预压应力；底板通常束D，用于储备底板预压应力；腹板下弯束F，与恒活载弯矩走势一致，储备应用的压应力。确定了上述钢束类型和形式后，通过MIDAS调索计算，以控制施工二期恒载工况和运营短期组合工况为基础，保证梁体应力满足全预应力构件设计要求：下缘不出现拉应力，上缘压应力控制在0.5fck以内。

2.3 预应力优化确定

基于上述的优化目标，采用 Midas调束方法，调整钢束线形、数量等，达到目标应力状态，最终确定的钢束线形、类型和数量结果如下：钢束线形基本遵从图4的初步线形，说明数值分析的桥梁受力状态与章节2.2的分析一致；钢束类型及数量所需配置如下表1和图6所示，通过上述优化设计，梁体的受力状态良好。

表1.各钢束类型及数量确定

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

图6.预应力钢束在梁端部的位置设计

3.MIDAS优化的桥梁性能验证

借助MIDAS分析工具和优化方法，基于上述的预应力配束设计和梁体截面基本信息，验算桥梁结构在施工和使用过程中各种荷载作用下的变形和受力，参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)，验算结果如下。

3.1 桥梁变形

考虑桥梁施工三个重要阶段及运营标准荷载组合，桥梁的变形结果如下表 2所示，可知桥梁整体在预应力作用下上挠，即便是运营荷载的标准组合作用下仍然呈上挠趋势，说明桥梁整体状态良好，预应力储备充足，桥梁运营过程中不容易出现下挠等病害。

表2.施工阶段及荷载组合下桥梁变形

3.2 桥梁应力状态

分析桥梁施工全过程和运营阶段短期、长期和标准组合的各种结构安全性验算要求，桥梁的最大和最小应力状态如下表 3所示，可知梁体在施工阶段和运营阶段均保持上下缘处于受压状态，短期组合作用下有3.5Mpa的压应力储备；标准组合作用下最大压应力为15.2MPa，均能够满足规范的受力要求。

表3.施工全过程和运营各组合工况下桥梁应力状态

同时，验算持久状况下的斜截面拉应力和压应力结果如下图 7所示，可知最大拉应力为 0.8Mpa，满足的要求；最大压应力为 152.Mpa，满足的要求。综上可知，通过Midas的优化设计，桥梁结构整体受力安全满足要求。

图7.斜截面应力安全性验算结果

4.结论

Midas是进行结构计算分析的多功能有限元分析软件，有效地利用该分析软件能够最大效率地提高设计质量。论文结合某一连续梁桥的设计，借助MIDAS有限元分析的便易性，在确定桥梁梁高、跨径布置、截面构造尺寸等基本信息之后，开展了MIDAS的预应力筋配束及线形设计，通过有效地迭代计算分析，确定了最难的预应力配束，计算结果显示：桥梁在各种施工阶段及荷载组合作用下梁体均上挠，储备了较高的压应力，同时正截面和斜截面最大应力为15.2Mpa，正截面均保持受压及不低于2Mpa的压应力储备，斜截面最大拉应力仅0.8MPa，均满足受力要求。桥梁整体性良好，充分验证了MIDAS CIVIL用于桥梁设计的可行性和优异性。

[1]张建锋,陈燕霞,赵雅雷.MIDAS/CIVIL软件在桥梁施工结构设计中的应用[J]，四川水泥，2012(3):71+76

[2]李国平.桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].北京: 人民交通出版社,2004.

[3]芮斌,张华平,秦雪映,陈祥勇.有限元计算在复杂混凝土结构配筋中的应用[J].科技资讯,2009 (22): 163-164.

U45

B

1007-6344（2016）10-0016-02

马兰，女，（1985.06），回族，2007年7月毕业于长安大学道路桥梁与渡河工程（桥梁工程）专业，硕士。青海民族大学2015年本科教学研究项目，项目编号：2015—BKJXQN-03