惠 康

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)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(xiàng)建筑物地形條件復(fù)雜，為保證工程施工期進(jìn)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(jì)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(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。前期工程經(jīng)驗(yàn)表明，Midas Civil 軟件可設(shè)計(jì)和驗(yàn)算橋梁的梁、柱截面，計(jì)算分析橋梁整體穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)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(hào)橋臺(tái)和右岸12號(hào)橋臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)，1～11 號(hào)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(jì)原則是安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、施工條件經(jīng)濟(jì)、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(jì)算數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行的實(shí)際狀況。項(xiàng)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(jià)。

1.2 上部結(jié)構(gòu)橫斷面

永久橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-60 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水按P=2%水庫運(yùn)行期下泄流量計(jì)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(hù)欄。橋梁橫斷面見圖2。為簡化計(jì)算，提高計(jì)算精度，建立三跨一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)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(jì)過程中設(shè)置縱向鋼筋。為提高雙柱墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以橋梁中跨的下部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象（第二聯(lián)下部結(jié)構(gòu)），按照墩高7 m 進(jìn)行荷載驗(yàn)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(diǎn)位移。采用有限元軟件MIDAS civil 將全橋離散為多個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元，采用空間梁單元模擬方法對(duì)主梁、橋墩、樁基進(jìn)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(dòng)支座。橫橋向位移和豎向位移與蓋梁上的支座對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)主從連接（墩主梁從）。為簡化計(jì)算模型，模擬過程中二期恒載只計(jì)質(zhì)量不計(jì)剛度。

2 計(jì)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(jì)1248 個(gè)單元，804 個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jí)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(jìn)行計(jì)算，并利用MIDAS 的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行PSC 截面設(shè)計(jì)。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(shí)為真實(shí)模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)際線形，建立平面梁單元模型進(jìn)行模擬。按照《公路橋梁通用設(shè)計(jì)規(guī)范》需進(jìn)行持久正常使用極限狀態(tài)計(jì)算和持久承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，考慮結(jié)構(gòu)的抗裂、抗彎、抗剪驗(yàn)算以及支座反力。

依照《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB-18306 規(guī)定，本項(xiàng)目區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，需對(duì)跨河進(jìn)行E1 和E2 兩個(gè)階段抗震計(jì)算。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定，橋梁需驗(yàn)算水平向地震作用下的橋梁強(qiáng)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(jìn)行橋梁抗震分析，取前300 階振型，按CQC 法進(jìn)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(jì)算結(jié)果分析

采用madis civil 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)模擬計(jì)算，運(yùn)行計(jì)算工況為汽車-60 級(jí)車隊(duì)荷載，按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)[4-6]，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用如下：

2.2.1 應(yīng)力驗(yàn)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(jì)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)正截面混凝土法向壓應(yīng)力的驗(yàn)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(jì)規(guī)范（JTG D62-2004）》第7.1.5 條進(jìn)行壓應(yīng)力驗(yàn)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(jì)算滿足規(guī)范要求。

圖4 正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果圖形

2.2.2 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算

madis civil 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力的驗(yàn)算結(jié)果見圖5，通過對(duì)使用階段正截面抗彎驗(yàn)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(jì)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(yàn)算結(jié)果圖形

2.3 抗震計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB-18306，本項(xiàng)目的區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)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(píng)價(jià)報(bào)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(jì)規(guī)范，本項(xiàng)目統(tǒng)一采用0.2 g 進(jìn)行抗震計(jì)算。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01) 規(guī)定，本項(xiàng)目橋梁為C 類橋梁，需進(jìn)行E1 和E2 兩個(gè)階段進(jìn)行抗震計(jì)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(jì)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(qiáng)度的設(shè)計(jì)值進(jìn)行橋梁截面彎矩曲率分析。驗(yàn)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(yàn)算成果、軸心抗壓承載力驗(yàn)算成果、軸心受壓承載力驗(yàn)算成果及正截面軸心抗壓承載能力等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，即本橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行結(jié)果分析；軸力驗(yàn)算過程中，以地震荷載和自重作用下的軸力為計(jì)算軸力。驗(yàn)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(yàn)算滿足要求。

3 結(jié)語

文章采用目前運(yùn)用較為廣泛的橋梁計(jì)算軟件madis civil對(duì)阿爾塔什水利樞紐工程永久跨河橋進(jìn)行荷載驗(yàn)算。通過運(yùn)用軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜荷載、動(dòng)荷載工況進(jìn)行模擬，得出橋梁靜力計(jì)算結(jié)果及抗震計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)可滿足工程運(yùn)用。同時(shí)，結(jié)果顯示，madis civil 能較好的對(duì)橋梁荷載進(jìn)行驗(yàn)算。通過對(duì)橋梁整體上部結(jié)構(gòu)與橋墩進(jìn)行整體建模，真實(shí)模擬各類運(yùn)行工況，分析最不利荷載組合作用下，橋梁各個(gè)截面的受力狀況，計(jì)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(jì)中。