基于 MIDAS对桥墩横系梁临时预应力计算分析

秦浩

（重庆交通大学，重庆 400074）

摘 要: 现浇箱梁支架施工日益普遍，但对于高墩或水上箱梁现浇却存在施工和造价上的难点，为此，以重庆奉节互通F1匝道桥第三联高墩箱梁桥为例，运用有限元软件Midas Civil对桥墩横系梁进行临时预应力设计，即可在各个桥墩的横系梁上搭设钢管立柱到同一高程，再纵向搭设贝雷梁、支架以及模板进行箱梁现浇^[1]。该施工设计很好的解决了高墩或水上施工的难点，降低了造价，同时为相似工程提供了一定的借鉴经验。

关键词: MIDAS；横系梁；临时预应力

中图分类号：U445.4 文献标识码：A

⁰ 引言

对于目前现浇箱梁施工工艺有支架法、悬臂法等，其中支架法较为安全，并且造价低，应用十分广泛。但是，对于高墩，土质条件苛刻，需要进行大面积的地基处理，对于水上施工，施工工艺受到限制，故本设计在桥墩的横系梁中布置临时预应力，并在其上搭设钢管立柱，再搭设双拼I56工字钢的分配梁以便于纵向贝雷梁和盘扣式支架的搭设对箱梁进行现浇，具体搭设方案如图1所示有效地解决了桥墩过高，地基承载力不足以及水面上无法施工等一系列问题。

1. 工程概况

拟建奉节东枢纽互通F匝道1号桥位于重庆市奉节县夔门街道沪蓉高速夔门互通附近，场地内有G42沪蓉高速，省道S103，大部分为硬化沥青路面，互通区交通条件优良。

本设计主要针对预应力混凝土现浇连续箱梁部分的桥墩横系梁临时预应力设计，以第三联的7#~8#墩现浇箱梁为例，其横系梁为1.3m×1.5m的矩形截面，柱式桥墩直径为1.8m。

2. 临时预应力结构设计

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)规定（下面简称为《公预规》），预应力混凝土构件要求混凝土强度等级为C40以上^[2]才能满足混凝土结构的耐久性要求，但在此处横系梁张拉预应力为施工过程临时措施，可以不用考虑此项规范要求。该桥墩和横系梁均采用C30混凝土，普通钢筋采用HRB400，预应力钢筋采用φ32精轧螺纹钢筋，横系梁上方结构以及受力情况如图1所示。7#、8#墩均为圆截面，其直径为1.8m，横系梁为1.3×1.5m的矩形截面。

图 1 横系梁上方结构以及受力点

系梁顶面将预埋2块800mm×800mm×10mm的钢板以及3φ12的预埋钢筋，钢板顶部与φ630钢管进行螺栓连接。预应力钢筋沿横系梁长度方向采用直线型布置，高度位于距横系梁底边15cm处，预应力钢筋间距为20cm居中布置。通过MIDAS模型调试之后，最终采用4根φ32的Q930螺纹钢筋，7#和8#墩的两端张拉预应力为600MPa。

3. 桥墩横系梁MIDAS仿真模拟

3.1 建立有限元模型

采用Midas Civil建立桥墩—横系梁结构^[3]的有限元模型，本模型仅针对桥墩的横系梁进行分析，故只呈现横系梁和该横系梁以下至下一个横系梁（或地面）之间的桥墩立柱，其边界条件为：桥墩底部自由度全约束，横系梁与桥墩进行全自由度约束的刚性连接，有限元模型的结点建立和单元划分如图 3所示。

横系梁主要承受的荷载包括：自重、钢管立柱、贝雷梁、支架、模板、新浇筑钢筋混凝土容重、施工人员和施工材料以及机具行走运输标准值、混凝土振捣时产生的荷载。

由于仅针对横系梁进行设计，故只设置横系梁的普通钢筋和箍筋，6#墩横系梁截面顶底有13×C20，左右有11×C16，箍筋为双支箍筋C12；7#8#9#墩横系梁截面顶底有12×C20，左右有11×C16，箍筋为双支箍筋C12。

图 3 有限元模型

3.2 施工阶段

根据施工流程确定施工阶段。

（1）CS1-桥墩建成

此阶段只有桥墩和横系梁的情况，无外荷载，所以仅激活自重、桥墩底部约束和横系梁与桥墩的刚性连接。

（2）CS2-张拉预应力

此阶段开始张拉预应力钢筋，即激活预应力荷载。并且需要观察横系梁的上下边缘的混凝土拉应力不大于1.849MPa，主要是上边缘受拉。

（3）CS3-立柱竖向荷载

此阶段开始施加横系梁上方的竖向荷载，即激活组合集中力荷载。在这个施工阶段也需要控制横系梁的上下边缘混凝土拉应力不大于1.849MPa，主要是下边缘受拉。故，可以在此阶段进行调节预应力钢筋的数量以及张拉预应力的大小。

（4）CS4-拆除立柱竖向荷载

此阶段是拆除临时施工的荷载，即钝化组合集中力荷载。

3.3 PSC设计验算

通过PSC梁设计进行验算，此处仅针对横系梁进行验算。

预应力混凝土构件施工阶段法向应力验算按《公预规》的7.2.7、7.2.8条规定计算，最大法向压应力为3.26

MPa<11.256MPa，满足规范要求。

受弯构件（RC/PSC）使用阶段正截面抗弯验算按照《公预规》的5.2.2~5.2.7条规定计算，最大弯矩为708.3kN·m<2343.9 kN·m，满足规范要求。

受弯构件（RC/PSC）使用阶段斜截面抗剪验算按照《公预规》的5.2.9~5.2.12条规定计算，最大剪力为108.3kN<2018.8kN，满足规范要求。

PSC构件使用阶段裂缝宽度验算按照《公预规》的6.4.1~6.4.5条规定计算，顶部裂缝宽度最大为0.0482mm＜0.2mm，满足规范要求。

通过上面的验算，该横系梁的临时预应力设计满足混凝土设计要求。与此同时，通过Midas结果显示横系梁在每个施工阶段的上下边缘的最大压应力为2.18MPa＜11.256MPa，最大拉应力为1.28MPa＜1.849MPa，满足设计要求。

4. 结语

近年来，有限元软件被广泛应用于结构验算，本文利用Midas Civil建立仿真桥墩—横系梁模型进行临时预应力设计计算，用实际的具体数据代入模型得出结论展开分析，验证在横系梁布置临时预应力钢筋的可行性和安全性，为施工建设提供了可靠的指导和建议。本横系梁临时预应力设计解决了高墩或水上现浇箱梁的施工难点，并具有施工便捷、造价低等优点，也为类似的工程提供了参考。

参考文献：

1. 李中奎,邢朝伟.基于MIDAS的现浇贝雷片+支架计算设计[M].交通世界,2021,17(6):124-126.

2. 交通部批准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范,JTG 3362—2018[M].人民交通出版社,2018.

3. 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[M].四川水利,2012,03:71-76.

作者介绍：秦浩（1996—），男，四川省广安人，硕士研究生，研究方向为桥梁结构仿真计算。

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