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(jìn)行多樣開發(fā)，逐漸成為城市的門戶，大大推進(jìn)城市化進(jìn)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(jìn)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(xué)分析理論、數(shù)學(xué)計算方法和計算機分析技術(shù)，可較為準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于14座標(biāo)準(zhǔn)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(xué)會等多家權(quán)威機構(gòu)的認(rèn)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行計算，最后將各個施工步的計算結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析與細(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)行土層彈簧剛度計算，確保模擬的真實性與準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行彎矩釋放，使其不再傳遞彎矩，準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行選擇，確保模擬準(zhǔn)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(jìn)行了差異分塊，則不需再單獨對該部分荷載進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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。