康 芮

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

Midas GTS Nx在標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)檢算中的應(yīng)用
——與Ansys對(duì)比分析

康 芮

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

結(jié)構(gòu)檢算是現(xiàn)在隧道標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，Ansys存在圖形界面操作復(fù)雜，模型檢查不方便，命令流語(yǔ)句冗長(zhǎng)，出錯(cuò)后不易找出命令語(yǔ)句錯(cuò)誤的地方等諸多不足。Midas GTS Nx屬于新一代的有限元分析軟件，用戶(hù)界面友善，操作直觀。文章通過(guò)對(duì)不同圍巖級(jí)別的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析，得出Midas和Ansys計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值均相近，總體來(lái)說(shuō)Midas計(jì)算值稍大，但在可接受范圍內(nèi)。因此，在以后的標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)檢算中采用Midas軟件可以大大提高工作效率。

結(jié)構(gòu)檢算； Ansys； Midas

隧道設(shè)計(jì)中采用隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)圖，標(biāo)準(zhǔn)圖是基于荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算理論編制，荷載結(jié)構(gòu)模型構(gòu)成了鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文以織畢線(xiàn)無(wú)砟軌道隧道襯砌標(biāo)準(zhǔn)圖為基礎(chǔ)，采用荷載結(jié)構(gòu)模型，在確定計(jì)算參數(shù)后，應(yīng)用Ansys和Midas兩款有限元軟件分別計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，比較結(jié)果的差異。

1 計(jì)算依據(jù)及計(jì)算模型

1.1 計(jì)算依據(jù)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖采用荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，文章采用以下計(jì)算依據(jù)。

(1)計(jì)算程序： Ansys和Midas計(jì)算程序。

(2)荷載確定：只考慮主要荷載，即圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖荷載均按深埋考慮。

(3)Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌按承受?chē)鷰r松弛荷載的30 %檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全；Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌作為承載結(jié)構(gòu)，按承受?chē)鷰r松弛荷載的70 %計(jì)算。

(4)根據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《隧規(guī)》)附錄E，計(jì)算淺埋情況下的垂直壓力與水平壓力。

(5)計(jì)算中考慮復(fù)合襯砌背后完全回填密實(shí)，計(jì)算均假定襯砌背后圍巖能提供彈性反力。荷載結(jié)構(gòu)模型采用主動(dòng)荷載加圍巖彈性約束。

1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《隧規(guī)》選取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)取值如表1所示。Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌采用C30素混凝土，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)

表2 二次襯砌計(jì)算參數(shù)

1.3 計(jì)算模型

不同級(jí)別圍巖計(jì)算時(shí)的單元編號(hào)均同圖1、圖2，不同圍巖級(jí)別模型區(qū)別在于具體尺寸。模型總計(jì)100個(gè)單元，為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，拱墻部分采用76個(gè)單元，仰拱部分采用24個(gè)單元。

2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)圍巖及二襯襯砌計(jì)算參數(shù)，對(duì)不同圍巖級(jí)別深埋情況分別采用Ansys和Midas計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可以分析，不同圍巖級(jí)別分別采用Ansys和Midas計(jì)算結(jié)果相近，內(nèi)力分布規(guī)律相似。其中軸力差值在±10 %范圍內(nèi)，彎矩差值在+32 %范圍內(nèi)，剪力差值在+12 %范圍內(nèi)。

Midas采用荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體比Ansys計(jì)算結(jié)果大，其中彎矩相差最大為32 %，軸力和剪力相差

表3 不同圍巖級(jí)別Ansys與Midas計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖1 Ansys荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 Midas荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

最大為12 %，此誤差在可接受范圍，內(nèi)力值稍大在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中偏于保守。

3 結(jié)論

通過(guò)Ansys和Midas對(duì)不同圍巖級(jí)別隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)Midas計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和Ansys計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力在圖形上基本吻合，兩者計(jì)算原理相似，主要差異在于對(duì)圍巖彈性連接系數(shù)的取值。

(2)Midas和Ansys在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算數(shù)值上相近，軸力和剪力數(shù)值相差最大為12 %，彎矩相差最大為32 %，Midas計(jì)算內(nèi)力總體比Ansys大。

(3)實(shí)際工程中不同圍巖級(jí)別彈性連接系數(shù)帶有很大的不確定性，只要得到的結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有過(guò)大的出入，都可以認(rèn)為是正確的結(jié)果。所以Midas可以完全可以應(yīng)用到隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算中。

[1] TB 10003-2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] Richards J A. Inspection, Maintenance and Repair of Tunnels: International Lessons and Practice[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 1998, 13(4):369-375.

[3] 周笑, 彭陽(yáng). 荷載-結(jié)構(gòu)模型在黃土隧道二次襯砌設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].四川建筑, 2007(5): 92-93.

[定稿日期]2017-06-21

康芮(1985～)，男，碩士研究生, 工程師, 從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)研究工作。

U452.2

A