基于MIDAS的綜合交通樞紐施工全過程數(shù)值模擬方法研究＊

焦忺玥

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300142）

1 引言

隨著城市規(guī)模擴大和經(jīng)濟發(fā)展，綜合交通樞紐在城市發(fā)展中的作用日益凸顯，成為城市交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點。綜合交通樞紐同時也進行多樣開發(fā)，逐漸成為城市的門戶，大大推進城市化進程。為實現(xiàn)多線交通換乘、綜合物業(yè)開發(fā)等功能，綜合交通樞紐具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工困難等特點，因此對綜合交通樞紐工程進行施工全過程的三維數(shù)值模擬至關(guān)重要。有限元分析方法綜合力學分析理論、數(shù)學計算方法和計算機分析技術(shù)，可較為準確的模擬實際工程問題[1-4]。本文基于MIDAS GEN有限元軟件對深圳市大運綜合交通樞紐的施工全工程的數(shù)值模擬，對方法步驟、要點難點、結(jié)果分析、尚待解決的問題等方面進行了總結(jié)與研究，對大型綜合交通樞紐的數(shù)值模擬具有參考及導(dǎo)向意義。

2 工程介紹

大運綜合交通樞紐位于深圳市龍崗區(qū)大運新城片區(qū)，現(xiàn)狀為3號線的大運站，規(guī)劃14號線、16號線和深大城際在此站換乘，形成4條軌道線路換乘的樞紐站。軌道14、16號線大運站為雙島四線地下三層車站，長約372 m，標準段寬約62 m；同時為實現(xiàn)樞紐四線便捷換乘，于新建大運站西側(cè)地塊設(shè)置地下三層地面兩層的交通核，其地下部分與車站合建。

大運綜合交通樞紐工程項目情況復(fù)雜、規(guī)模巨大，設(shè)計范圍的總建筑面積約13.5萬m2，總土方量約142萬m3，總混凝土量約33萬m3，相當于14座標準車站的體量。并且綜合地質(zhì)、周圍環(huán)境、地面道路交通、工期及造價等因素，大運樞紐分區(qū)域采用多種工法、分期施工。

大運樞紐車站小里程14號線左線始發(fā)井采用明挖法施工，14、16號線車站1～7軸采用蓋挖逆作施工，車站7～34軸部分頂板逆作，其余采用明挖施工，換乘交通核部分采用蓋挖逆作施工。

3 軟件介紹

3.1 MIDAS GEN介紹

MIDAS GEN是由韓國MIDASIT公司研發(fā)的一款基于Windows平臺的建筑結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，通過了ISO14001：1996（環(huán)境管理體系）、ISO 9001：2000（質(zhì)量管理體系）、中國國家軟件評測中心以及韓國電算結(jié)構(gòu)工學會等多家權(quán)威機構(gòu)的認證[5]。

MIDAS GEN軟件內(nèi)包含桁架桿單元、梁單元、平面應(yīng)力（應(yīng)變）單元、墻單元（平面內(nèi)/平面外彎曲）、板單元（厚板/薄板、平面內(nèi)/平面外厚度、正交異性）、只受壓（拉）單元及間隙單元等多種單元類型，并且包含進行靜力分析、力分析、靜力彈塑性分析、幾何非線性分析及施工階段分析等多種分析模式。

3.2 施工階段建模步驟

利用MIDAS GEN軟件的建模步驟大致分為結(jié)構(gòu)線條文件（DXF等格式）導(dǎo)入，劃分板墻、圍護、梁柱等單元并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組，對各類單元賦予材料屬性以及統(tǒng)一單元坐標值，施加作用荷載并建立相應(yīng)的荷載組，添加邊界約束并建立相應(yīng)的邊界組，進行施工步設(shè)計（依據(jù)實際施工情況激活或鈍化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組、荷載組及邊界組），最后對施工階段進行模擬。對應(yīng)不同施工階段下結(jié)構(gòu)狀態(tài)，計算每一施工步完成時結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，以前一步的計算結(jié)果為基礎(chǔ)進行計算，最后將各個施工步的計算結(jié)果進行累加，即得到結(jié)構(gòu)最終的受力狀態(tài)。

4 難點分析與處理

針對大運綜合交通樞紐工程，利用MIDAS GEN軟件建立三維施工全階段模型，主要包含車站小里程端蓋挖逆作區(qū)域、車站大跨蓋挖頂板及其余明挖順作區(qū)域、交通核蓋挖逆作區(qū)域等。大運樞紐模型共計265 654個單元，43個結(jié)構(gòu)組、22個邊界組、18個荷載組，并依據(jù)實際施工安排與進度設(shè)計21個施工步（包含初始施工階段至最終使用階段），其中多區(qū)域、多工法交叉。大運樞紐三維模型如圖1所示。

圖1 大運樞紐三維模型圖

以大運樞紐三維模型為例，對大型綜合交通樞紐三維建模的難點進行分析與細節(jié)處理。

4.1 施工步設(shè)計

因MIDAS GEN施工階段分析是以激活（鈍化）各類結(jié)構(gòu)組、荷載組和邊界組為基礎(chǔ)，所以對實際施工順序、工法等需細致地將每一施工步要激活或鈍化的組整理清晰，并在建模過程中建立完整條理的各類組。例如頂板單元包含先施工的逆作頂板、后施工的順作頂板、出土孔后作頂板等部分，因頂板的各部分不是在同一步激活，所以都應(yīng)分別放置在不用的結(jié)構(gòu)組中，再分別激活。

4.2 邊界模擬

4.2.1 地層及立柱樁模擬

土層邊界采用僅受壓彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)土層的水平基床系數(shù)取值，立柱樁、抗拔樁等采用拉壓彈簧模擬，同時水平方向也需要設(shè)置拉壓彈簧，彈簧剛度根據(jù)工程試樁報告取值。在大型樞紐工程中，因工程面積大，往往存在基坑底部地質(zhì)差異等情況，影響結(jié)構(gòu)受力、造成柱底沉降差異等。對大運樞紐范圍內(nèi)基坑底部地質(zhì)進行分塊統(tǒng)計，依據(jù)土層性質(zhì)與分布范圍共劃分12個土層區(qū)域，分別進行土層彈簧剛度計算，確保模擬的真實性與準確性。

4.2.2 蓋挖頂板與圍護樁邊界模擬

在蓋挖逆做區(qū)域，圍護樁需要支承最先施作的結(jié)構(gòu)頂板，對實際情況進行分析，圍護樁與頂板之間僅傳遞力，不傳遞彎矩。在模型中圍護樁單元與頂板單元共用節(jié)點即代表剛性連接，既能傳遞力又能傳遞彎矩，并不符合實際受力情況。因此需采用釋放板端彎矩功能對圍護樁單元的共用節(jié)點進行彎矩釋放，使其不再傳遞彎矩，準確模擬實際情況。

4.2.3 側(cè)墻與圍護樁的連接模擬

側(cè)墻與圍護樁之間無剛性連接，僅存在擠壓受力的情況，因此采用壓桿模擬其連接。利用擴展功能將彼此對應(yīng)的節(jié)點一一相連為壓桿單元，壓桿設(shè)置為僅受壓單元屬性，剛度無限大，僅傳遞壓力，且不受其余荷載作用，可以準確模擬實際情況。

4.2.4 一般支承邊界激活

一般支撐類型的邊界組在施工步中激活時需要選擇“變形前”或“變形后”。在某一個施工階段激活邊界組時，所施加邊界的節(jié)點可能已經(jīng)發(fā)生位移。“變形前”代表將該節(jié)點強制恢復(fù)至未變形時的位置，邊界存在強制位移產(chǎn)生的反力，但節(jié)點位移為零；“變形后”代表在該節(jié)點變形后的位置施加邊界條件，邊界不存在反力，但節(jié)點位移不為零。在激活時需根據(jù)實際情況進行選擇，確保模擬準確。

4.3 特殊荷載

4.3.1 立柱差異沉降

蓋挖逆作施工中需注意立柱差異沉降所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受力。若對地層進行了差異分塊，則不需再單獨對該部分荷載進行考慮，若未區(qū)分地層差異，則需選取有代表性的立柱，分階段施加向下的強制位移，并約束其余立柱底部節(jié)點，以模擬差異沉降荷載的影響。

4.3.2 溫度荷載

溫度荷載包含整體的升溫或降溫荷載以及溫度梯度荷載。大運樞紐模型中主要考慮運營溫度與結(jié)構(gòu)合攏溫度不同所造成的整體降溫的不利溫度荷載。MIDAS GEN中直接輸入溫差模擬溫度荷載。降溫溫度的計算公式為：混凝土降溫度數(shù)ΔTmin=Tsmin－T0max，Tsmin為運營期最低溫度，℃；T0max為混凝土合攏溫度加溫度誤差，℃。

因樞紐工程體量較大，降溫溫度荷載會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉力，從而梁、板等構(gòu)件處于拉彎受力的不利狀態(tài)，所以模型中不可忽略溫度荷載。同時混凝土收縮徐變所帶來的影響也不可忽略。模型中以降溫﹣4.5℃對混凝土的收縮徐變影響進行簡化模擬。

5 結(jié)果分析

由于熱脹冷縮，降溫溫度荷載會使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生較大的拉力，在長度較長的縱梁中尤為明顯，甚至成為結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的控制性因素。樓板大開孔處結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力變化較大，孔邊梁產(chǎn)生較大的扭矩，其下柱頂產(chǎn)生較大的彎矩，需對孔邊梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行彎剪扭受力狀態(tài)驗算。并且溫度荷載等產(chǎn)生的拉力在孔洞邊緣的梁板處出現(xiàn)增大現(xiàn)象。因在模型中板單元（無厚度）與梁單元是相重疊的，應(yīng)讀取相應(yīng)梁寬內(nèi)的板帶內(nèi)力并且相加，作為梁單元的內(nèi)力進行梁構(gòu)件的設(shè)計與驗算。三角形等不規(guī)則單元會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)不規(guī)則極值，應(yīng)在建模時盡量規(guī)避不規(guī)則單元，如若不能，讀取結(jié)果后進行合理舍取。

6 尚待解決的問題

無法在施工模型中考慮各項荷載的系數(shù)。在施工階段分析中，軟件默認各種荷載的系數(shù)為1，不能靈活為不同種類的荷載設(shè)置不同的分項系數(shù)。無法將使用階段高、低水位、活載控制、溫度控制等不同荷載組合的情況與施工階段模型在同一個模型中進行計算。若考慮使用階段的多種荷載工況，需另建立非施工階段模型進行計算。施工階段分析結(jié)果中無法提取施工階段內(nèi)力的絕對值包絡(luò)圖。MIDAS GEN對大型結(jié)構(gòu)模型的建模及模擬能力還需增強，如添加（刪除）彈性連接、使用荷載組合等功能時需耗費大量時間并時常造成卡機。