基于Midas/Civil的连续桥梁分析

高运行 李丽芬 刘泽雄

摘 要：桥梁施工监控是一个系统的科学研究过程，Midas/Civil软件是结合材料力学以及有限元技术而研发的一款实用性软件，它可以分析桥梁施工过程中的挠度和应力状况，同时也可以分析桥梁正常使用阶段的应力及挠度变化情况。本文就是在Midas/Civil软件的基础上，对桥梁状态进行分析。

关键词：Midas/Civil软件；挠度；应力

Midas/Civil软件是基于材料力学、有限元等相关知识对结构进行建模并分析。经过大量工程实践表明，Midas/Civil软件对桥梁的分析的可靠性、实用性非常高，对于挠度的分析精度达到85%以上[ 1 ]，也能确定结构在施工过程中的应力状态。本论文以某在建预应力混凝土连续箱梁桥为研究背景，采用Midas/Civil软件对桥梁进行全过程模拟。通过软件自带理论知识模拟计算，进而分析桥梁挠度及应力变化情况，不仅指导桥梁设计，同时也为桥梁施工过程分析提供理论数据支持。

1 模型建立及参数控制

1.1 模型建立

使用Midas/Civil软件建立模型非常方便，它是通过节点和单元建立二维结构体系，然后通过截面的输入建立三维结构体系，在进行桥梁分析时截面类型要求为PSC截面。建立模型如图一、图二所示。

1.2 参数控制

桥梁模型参数主要是指各种作用以及控制各种作用的参数。参数的控制是确保桥梁应力以及线形精度的关键因素。

1）作用。Midas/Civil对作用的添加是一个系统的体系。桥梁作用有多种，在Midas/Civil里面作用主要划分为静力荷载、移动荷载、温度荷载、预应力荷载、收缩徐变、支座沉降、约束、二期铺装、地震作用[ 2 ]。一般对施工过程的控制中不考虑风荷载和地震作用的影响。桥梁施工过程单元、荷载、边界等作用的施加顺序及时间安排通过施工阶段进行定义。

2）控制参数。Midas/Civil中静力荷载包括各节段重量，挂篮重量，二期铺装等。移动荷载包括作用在箱梁上部轨道线以及施加在桥梁上的车道荷载、车辆荷载和行人荷载。温度荷载包括系统温度的定义以及温度梯度的定义，其中系统温度初始值设置为0，代表实际合拢温度20℃，系统温度升降值根据设计大小进行添加，温度梯度根据规范要求进行添加。预应力荷载控制参数为预应力钢束类型、钢束形状和应力大小三个方面。对于收缩徐变的控制参数主要是指混凝土强度等级以及与材料的连接方面。桥梁约束作用的控制是根据桥梁结构形式进行添加。桥面二期铺装作用以均荷载形式添加到单元上部。

3）参数调整。桥梁在施工时，施加在桥梁上的实际荷载和理论荷载有一定误差。为了消除该误差，需要根据现场实际情况进行调整。调整内容包括：挂篮重量、挂篮作用点、各节段重量等[ 3 ]。各节段在浇筑时混凝土浇筑方量存在误差，同时桥梁设计时会有一定纵坡，节段倾斜导致长度增加等原因会造成实际重量和设计重量存在较大误差，所以在监控时要通过钢筋、混凝土实际安装重量以及各自比重、体积来对各节段重量进行双控。挂篮重量是考虑挂篮厂家提供的钢结构重量数据，同时考虑施工现场添加构件或切除不必要构件的重量。挂篮荷载全部集中在挂篮的前支腿前侧0.2～0.5m位置处。

2 数据分析

Midas /Civil中PSC计算是对桥梁施工过程进行的整体性分析，给出某节点位置处应力的最大包络值。对于全预应力构件在施工监控过程中主要分析内容包括：施工阶段法向压应力验算，使用阶段正截面抗裂验算，使用阶段正截面压应力验算。

2.1 施工阶段应力控制

桥梁应力控制的重点是对整个施工过程中应力出现最大值的部位（包括拉、压应力）进行跟踪控制。需要借助软件通过PSC整体计算后查看出现最大值的节点位置以及此节点出现最大值时的荷载工况。悬臂浇筑桥梁出现最大拉、压应力值的方向为纵向，所以查看文件为“施工阶段法向压应力”验算。水口水道大桥最大压应力出现在模型53#单元和60#单元上，压应力分别为14.48MPA和13.99MPA，出现的位置在拆除吊架阶段。在通过分析得出最大受力截面后，施工时就需要在此截面布置应变计，以观察此截面受力情况。

针对桥梁施工过程中的最大受力截面处的应力控制，还需要考虑不同施工节段不同荷载工况下的实际应力大小与理论计算值之间的比较。以水口水道大桥施工6#块为例：在定义施工阶段时，添加不同荷载时会添加子步骤，此步驟对应于“梁单元应力图”界面中的“步骤”项，可以通过选择不同步骤来查看施工此节段不同荷载工况下的应力情况。也可以通过查看梁元应力（PSC）中的1、2、3、4…不同位置来查看某截面不同位置应力值。

2.2 施工阶段挠度控制

针对悬臂浇筑施工技术要求特点，立模指令发生在移动挂篮工况之后，所以从Midas /Civil中查看施工阶段挠度值是在挂篮移动工况后。同样以水口水道大桥施工8#块为例，从结果里面的“悬臂法预拱度”表格里面查看8#挂篮对应的挠度数据为-4.71mm，就说明在立模时需要在原预拱度基础上降低4.71mm。

Midas /Civil软件也提供查找单个受力状态下变形量值。在选择悬臂法预拱度表格时，根据选择的不同荷载即可查看此荷载作用下的挠度变化量。

3 结论

随着悬臂施工技术的在中国的发展和推广，对桥梁应力和高程的监控已经时必不可少的环节。Midas /Civil软件因为其本身操作简单、分析精度较高的特点越来越受到大众欢迎，现在不仅在设计单位得到普遍推广，在施工过程中的应用也非常广泛。经过实际测量数据和Midas /Civil软件计算得到数据进行对比，可以很好指导施工过程。

参考文献：

[1] 胡娟.Midas/Civil软件在大跨径桥梁悬臂施工中的应用.

[2] 姚昌荣.桥梁工程毕业设计-Midas建模[J].西南交通大学，2012.

[3] 姚昌荣，方新跃，蒋伟平.预应力混凝土连续梁桥的应力控制误差分析.第七届后张预应力学术交流会.