Maids Civil 在阿尔塔什水利枢纽工程中的运用分析

惠 康

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

阿尔塔什水利枢纽工程是一座以灌溉、防洪、生态、发电为开发目标的控制性水利枢纽工程，位于新疆维吾尔自治区的叶尔羌河上，工程为大(1)型Ⅰ等工程。挡水建筑物为砂砾石面板堆石坝，泄洪建筑物主要有：1#和2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞；底孔排沙放水洞分为：1#和2#深孔放空排沙洞；发电系统主要有：引水系统、电站厂房、生态基流发电系统和发电厂房等。本工程建设规模大，施工周期短，坝址两岸山体陡峭，单项建筑物地形条件复杂，为保证工程施工期进度质量，下游阿尔塔什跨河桥成为左岸交通要道。在满足工程坝体填筑任务的前提下，跨河桥设计荷载超过公路规范标准，为水利工程施工特殊荷载，上部结构无法参考公路标准图集。由于荷载特殊，桥梁需进行复核验算。前期工程经验表明，Midas Civil 软件可设计和验算桥梁的梁、柱截面，计算分析桥梁整体稳定性及结构强度[1]，优化跨河桥结构[2]。

图1 阿尔塔什水利枢纽工程平面布置图

图2 跨河桥桥型布置图

1 桥梁布置概况

阿尔塔什跨河桥位于坝址下游约1.3 km，设计洪水标准为50年一遇，总跨径360 m，每跨30 m。桥梁上部结构采用装配式预应力混凝土箱型连续梁桥，三跨一联布置。左岸0 号桥台和右岸12号桥台采用桩柱式桥台，1～11 号桥墩采用钢筋砼桩柱式桥墩。

1.1 桥型布置

阿尔塔什跨河桥设计原则是安全、适用、经济、美观。在结构设计上采用结构合理、技术先进、施工条件经济、美观、成熟的常规结构体系；孔径及位置的布设结合水文计算数据、经济、施工、养护和运行的实际状况。项目地区自然生态环境脆弱，植被稀少，工程应依托自然环境，尽量避免大的开挖，尽量减少工程量和工程造价。

1.2 上部结构横断面

永久桥设计荷载等级为汽-60 级，设计洪水按P=2%水库运行期下泄流量计算，桥长368 m，总跨径360 m，每跨30 m，采用三跨一联、装配式预应力混凝土箱型连续梁上部结构，行车道宽9.0 m，两侧设置0.75 m 人行道+0.5 m 防撞护栏。桥梁横断面见图2。为简化计算，提高计算精度，建立三跨一联上部结构模型进行计算。

图3 跨中截面图（尺寸单位：mm）

1.3 下部结构

跨河桥下部采用双柱式墩，双柱墩和盖梁形成框架结构共同受力，双柱墩的墩顶和墩底两处弯矩最大，在设计过程中设置纵向钢筋。为提高双柱墩结构强度，以桥梁中跨的下部结构为研究对象（第二联下部结构），按照墩高7 m 进行荷载验算。

1.4 边界条件

软件中模型边界条件为结构的外部约束，约束节点位移。采用有限元软件MIDAS civil 将全桥离散为多个节点和单元，采用空间梁单元模拟方法对主梁、桥墩、桩基进行模拟。主梁的纵桥向边界条件按照连续梁的边界条件设定，5#墩墩顶处设定为固定支座，其他支座为滑动支座。横桥向位移和竖向位移与盖梁上的支座对应节点主从连接（墩主梁从）。为简化计算模型，模拟过程中二期恒载只计质量不计刚度。

2 计算结果及分析

2.1 建模分析

使用Midas Civil 建立上坝交通桥模型，上部结构为三跨预应力混凝土连续梁，跨径3 m×40 m，横桥向多片T 梁采用横向联系梁和横隔板连接，桥宽11.25 m。Midas civil 建立模型共计1248 个单元，804 个节点，如图3：

图3 阿尔塔什跨河桥整体模型图

荷载组合采用全桥布置满载汽车-60 级车型，车辆间距15 m。采用MIDAS CIVIL 程序对上部结构任意一联进行计算，并利用MIDAS 的设计功能进行PSC 截面设计。桥梁上部结构采用先预制，后现浇湿接头（连续梁体系）的施工方法。建模时为真实模拟桥梁上部结构实际线形，建立平面梁单元模型进行模拟。按照《公路桥梁通用设计规范》需进行持久正常使用极限状态计算和持久承载能力极限状态验算，考虑结构的抗裂、抗弯、抗剪验算以及支座反力。

依照《中国地震动参数区划图》GB-18306 规定，本项目区域地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2 g，需对跨河进行E1 和E2 两个阶段抗震计算。根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定，桥梁需验算水平向地震作用下的桥梁强度，即纵桥向和横桥向的作用，竖向地震作用可不考虑。采用反应谱法进行桥梁抗震分析，取前300 阶振型，按CQC 法进行振型组合，利用SRSS 组合拟定方向。荷载组合按以下两种方式组合：①恒载+纵向地震荷载；②恒载+横向地震荷载。

2.2 静力计算结果分析

采用madis civil 对桥梁结构进行静力学模拟计算，运行计算工况为汽车-60 级车队荷载，按照A 类预应力混凝土构件进行设计[4-6]，对桥梁上部结构产生的作用如下：

2.2.1 应力验算

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》第7.1.5-1 条，荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数。madis civil 对桥梁结构正截面混凝土法向压应力的验算结果见图4。并依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》第7.1.5 条进行压应力验算：

式中：σkc为受拉区预应力钢筋扣除全部预应力损失后的有效应力；σpt为由预应力产生的混凝土法向拉应力。

经计算满足规范要求。

图4 正截面混凝土法向压应力验算结果图形

2.2.2 正截面抗弯承载能力验算

madis civil 对桥梁结构正截面抗弯承载能力的验算结果见图5，通过对使用阶段正截面抗弯验算结果分析，上部结构混凝土箱梁各界面部位的抗弯承载力规范要求，即满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第

5.1.5 条构件承载力的规范要求。

图5 正截面抗弯承载能力验算结果图形

2.3 抗震计算结果分析

根据《中国地震动参数区划图》GB-18306，本项目的区域地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2 g。依照新疆防御自然灾害研究所《新疆阿尔塔什水利枢纽工程场地地震安全性评价报告》，工程场区坝址区50 年超过概率10%的场地基岩峰值加速度为0.18 g，工程区为Ⅷ度地震基本烈度。依据相关设计规范，本项目统一采用0.2 g 进行抗震计算。根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01) 规定，本项目桥梁为C 类桥梁，需进行E1 和E2 两个阶段进行抗震计算[7-8]。

2.3.1 E1 作用结果分析

在E1 地震作用过程中，桥梁结构为弹性构件。经过计算结构弯矩曲率，得出截面初始弯矩，并采用混凝土和钢筋强度的设计值进行桥梁截面弯矩曲率分析。验算结果显示，E1 地震作用下的桥梁结构偏心受压承载力验算成果、轴心抗压承载力验算成果、轴心受压承载力验算成果及正截面轴心抗压承载能力等结构强度均满足规范要求，即本桥梁结构强度满足要求。

2.3.2 E2 作用结果分析

在E2 地震作用过程中，桥梁结构为弹塑性构件。经过计算结构弯矩曲率，得出极限弯矩值，并取钢筋和混凝土强度的设计标准值进行结果分析；轴力验算过程中，以地震荷载和自重作用下的轴力为计算轴力。验算结果显示[10]，在E2 地震作用下桥梁结构的偏心受压承载力、轴心抗压承载力、正截面轴心抗压承载能力及轴心受压承载力等均满足规范要求，即桥梁结构的位移验算满足要求。

3 结语

文章采用目前运用较为广泛的桥梁计算软件madis civil对阿尔塔什水利枢纽工程永久跨河桥进行荷载验算。通过运用软件对桥梁结构的静荷载、动荷载工况进行模拟，得出桥梁静力计算结果及抗震计算结果均符合规范要求，桥梁结构可满足工程运用。同时，结果显示，madis civil 能较好的对桥梁荷载进行验算。通过对桥梁整体上部结构与桥墩进行整体建模，真实模拟各类运行工况，分析最不利荷载组合作用下，桥梁各个截面的受力状况，计算结果准确、可靠。本文所得结论为阿尔塔什水利枢纽工程大坝填筑工程提供了理论依据，可直接应用在今后的桥梁设计中。