SAP84和GTS/NX在地下结构中的应用与对比分析

于 丹,陈 俊，花 鹏，郎 雷

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津 300251)



SAP84和GTS/NX在地下结构中的应用与对比分析

于 丹1,陈 俊1，花 鹏2，郎 雷1

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津 300251)

为提高工程人员建模效率、减少失误，分析考察了两款地下结构计算软件.以沈阳地铁某站点出入口暗挖断面为例，通过对初始参数输入、模型建立、荷载组合及计算结果等进行对比，分别阐述了两款软件的异同点、优缺点、注意事项及适用性.结果表明：内力图趋势一致，计算结果相差不大；类似本例工程选用SAP84较GTS/NX建模更为方便快捷、结果直观、可视性强、易用性高.研究结果可为类似工程提供参考.

SAP84；GTS/NX；有限元；地下结构

随着我国经济的快速发展，交通拥堵愈来愈成为制约城市发展的因素.解决交通拥堵问题，发展以地铁为主导的快速轨道交通在一个相当长的时期内是中国大部分城市的首选，地铁建设也将迎来新一轮的高潮[1].地下结构荷载设计计算作为地铁设计中一个不可或缺的环节，近些年随着电子计算机行业的快速发展，计算方式也是日新月异.从早期的理论手算到现在计算机软件的使用，无不体现着科学与时代的进步.目前市面上用于地下结构计算的商业常用软件有ABAQUS、PKPM、MIDAS GTS/NX、SAP84等，每款软件都有各自的优势及不足.笔者针对SAP84和Midas GTS/NX(以下简称GTS/NX)两款在地下荷载结构模型的建立、初始参数确定以及计算结果等方面进行对比分析，分别阐述其异同点、优缺点、注意事项及适用性等.

通用结构分析软件SAP84是国内广泛使用的微机结构分析软件之一，该程序以有限单元法为基础，由北京大学力学系袁明武教授主持开发.因其使用便捷、功能强大、力学模型合理、结果准确等优点，已有数千个国内工程项目使用SAP84进行了计算并作为设计的依据，得到了用户的一致好评.SAP84特别适用于多种类型单元的大型复杂组合结构，开发的图形输入、前处理和后处理功能已达到国际先进水平，是目前国内拥有用户最多的通用结构分析程序[2].

GTS/NX (Geotechnical and Tunnel analysis System)是由北京迈达斯技术有限公司针对岩土工程而研制开发的一款具有Windows风格操作界面的通用型软件，它有机地将岩土结构的专业性要求与通用的有限元分析内核结合在一起，集合了目前常用的岩土、地下结构、隧道分析软件的一系列优点[3].其交互式操作、完备的岩土材料本构模型库、强大的可视化后处理等优势近年来得到了用户的青睐.

1 工程实例概况

1.1 工程概况

沈阳市地铁一号线一期工程呈东西走向贯穿沈阳城区，西起于洪区十三号街站，东到大东区黎明广场站，全长大约28km;其中正线约22km，均为地下线路，设车站共22个.这条东西地下交通大通道，位于沈阳城区东西方向的主轴线上，横穿五个市辖区，是中国东北地区开通运营的第一条地铁线路.本文取沈阳地铁一号线太原街站某一出入口暗挖段某一处断面为例.

1.2 工程地质

该工点建筑场地地势平坦，场地地貌类型属第四系浑河新扇，地面标高介于42.28m～44.22m之

间，呈西部高东部低，地表相对高差1.94m，工点地质剖面见图1.暗挖断面深度范围内的地层结构分别为：

(1)第四系全新统人工填筑层(Q4ml)杂填土①：主要由市政铺设路面、碎石垫层、碎石、混粒砂、黏性土组成，松散～密实；

(2)第四系全新统浑河新扇相冲洪积层(Q41al+pl)粉质黏土④-1：黄褐色，含氧化铁结核，可塑，摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等，韧性中等；

(3)粉细砂④-3-2：黄褐色，石英长石质，均粒结构，充填少量黏性土，局部含黏性土薄夹层，稍湿～湿，稍密～中密，部分地段密实；

(4)中、粗砂④-3：黄褐色～灰褐色，级配不良，长石质、石英，混粒结构，充填少量黏性土，局部含黏性土薄夹层，稍湿～湿，稍密～中密，部分地段密实；

(5)砾砂④-3-4：黄褐色，石英～长石质，混粒结构，分布基本连续，但厚度变化较大，含大于2mm颗粒占总重的30%左右，钻探过程中所见最大粒径80mm.该层局部层位为圆砾或粗砂，含黏性土薄夹层，湿～饱和，中密～密实[4-5].

图1 地质剖面图

2 计算参数及假定

2.1 土层参数(见表1)

表1 土层及物理力学参数

土层厚度重度基床系数侧压力系数h/mγ/kN·m-3Kx/MPa·m-1Kv/MPa·m-1K0Q4ml杂填土1.817770.45Q41al+pl粉质黏土2.318.620220.43Q41al+pl粉细砂2.716.920230.39Q41al+pl中粗砂7.415.825250.39Q41al+pl砾砂7.32034350.35

2.2 断面结构模型

断面结构尺寸和荷载受力示意见图2、图3.断面结构顶板和侧墙均为700mm，底板厚800mm，地面绝对标高42.93m，拱顶覆土11.2m，稳定水位绝对标高29.93m，埋深13m，C40钢筋混凝土重度γ1取24.5kN/m3.

图2 断面尺寸图 图3 荷载受力示意图

竖向土压力和水压力进行水土分算分别按式(1)、(2)计算取得

(1)

(2)

qm=ey+py

(3)

另外竖向水浮力可按式(4)计算取得：

(4)

(5)

px=kwγwhi=0.5γwhi

(6)

en=ex+px

(7)

另外，地面超载q超载及其引起的侧压力e活分别按20kPa和10kPa取值.

2.3 计算假定

计算模型是对实际结构的抽象和简化，两款软件都提供了很多单元类型用于模拟不同的构件，单元类型的选择主要取决于构件的受力特点.一般来说，承受轴力及弯矩的构件且一个方向的尺寸比另外两个方向要大得多的可以用梁柱单元来模拟.根据结构及受力特点本例按平面应变问题处理，均用梁单元.布置于各节点上的接地弹簧单元用来模拟周围岩土体与地下结构的相互约束.假定接地弹簧不承受拉力，即仅受压弹簧，不计土体与结构间粘结力，弹簧受压时产生的反力即为土体对结构的弹性抗力，且正常使用期间不计形变压力[6].

3 对比分析

3.1 初始参数输入对比

由于SAP84里自带有不同等级混凝土材料库，可在仅输入混凝土强度等级时其他参数保持为零的情况下，分析程序将自动查询并生成该混凝土强度等级对应的弹性模量E、剪切模量G、泊松比以及重度γ等参数.GTS/NX软件里则需事先人为确定参数才能进行材料和属性的定义.本文为了减少材料参数带来的误差，两种模型材料参数均取前者自动生成的参数.另外值得注意的是建模初期在输入材料参数时，SAP84中如果在定义各单元的材料参数时输入了材料的重度(包括由不同等级混凝土强度得到的查询值)，程序将自动考虑由材料重度产生的自重，并且默认把它放在荷载种类1下且方向可变.

3.2 模型建立对比

地下结构与周围岩土体是选用曲面弹簧来进行弹性连接的，接地弹簧刚度与围岩基床系数[7](Modulus of Subgrade Reaction)和节点弹簧所覆围岩从属面积(Tributary Area)有关，计算公式为

k=mA=m(A1/2+A2/2)=

(8)

式中，k为接地弹簧刚度；m为岩土体基床系数；A为弹簧所覆土体面积；A1、A2为与弹簧相连单元的面积；l1、l2为与弹簧相连单元的长度.

两款软件的接地弹簧均为仅受压类型的，GTS/NX里可从地勘报告上取基床系数直接输入，程序自动进行计算得到弹簧刚度.而SAP84需根据基床系数和单元长度按式(8)计算弹簧刚度的大小.笔者在两款软件里对模型单元宽度均按每延米计算取值，上述与弹簧相连单元的面积也就简化成与弹簧相连单元的长度.值得注意的是GTS-NX中默认弹簧单元是一个非线性单元，为避免结果中出现拉应力的情况，出现与设定的仅受压弹簧相悖的结果，故荷载结构分析类型里应该选择非线性静力分析，且仅受压弹簧不可以做施工阶段分析，SAP84里可添加约束地层方向自由度防止其计算不稳定而导致计算中断.

3.3 荷载组合对比

SAP84里是以插值的方式确定梁柱线荷载，且折线荷载线密度方式应沿荷载方向的投影长度施加，施加完毕后将自动转换成沿单元长度，也可通过表达式确定折线荷载的线密度，曲线荷载则可增加折线点来更好的模拟.GTS/NX同样是按一定比率线性插值，与前者不同的是施加同类型不同方向的荷载时需要按方向各自定义荷载名称.另外需要注意的是SAP84里的荷载工况实际上就是不同种类的荷载即永久荷载、可变荷载、地面超载等，在输入过程中一般不限制特定荷载放置在特定的工况下，但应该尽量把综合系数相同的荷载种类放在同一工况下.这里所谓的荷载工况综合系数与《建筑结构荷载规范》[8]中的分项(组合)系数有区别，这里是综合了规范中的结构重要性系数和分项系数之后的综合系数.如某荷载组合作用下产生的内力组合为

自重荷载组SG1×ψ1×γ0+永久荷载组SQ2×

ψ2×γ0+可变荷载组SQ3×ψ2×γ0

其中SG1、SQ2、SQ3为自重荷载、永久荷载、可变荷载；ψ1、ψ2为分项系数；γ0为结构重要性系数.各工况下的荷载值并不规定是设计值还是标准值，完全由输入时的荷载值决定.分析时其位移组合和荷载组合可以不相同，但输入组合系数的方法须完全一致.而GTS/NX在进行荷载工况定义时应选择考虑独立计算各个荷载组，这样每种荷载输出的结果都可分别进行分析，反之就仅能得到各种荷载进行组合后的单一结果.

3.4 计算结果对比

本次计算模型按最不利情况进行模拟计算，即考虑断面结构在在稳定水位工况下其基本组合和准永久组合下的受力情况.基本组合下计算结果如下：(a)为SAP84计算结果(b)为GTS/NX计算结果.

(a)SAP84 (b)GTS/NX图4 基本组合弯矩图

(a)SAP84 (b)GTS/NX图5 基本组合剪力图

(a)SAP84 (b)GTS/NX图6 基本组合轴力图

准永久组合下计算结果如下：(a)为SAP84计算结果(b)为GTS/NX计算结果，见表2-表4.

(a)SAP84 (b)GTS/NX图7 准永久组合弯矩图

由图4-图9可以看出，SAP84结果图里自动显示了各个部位的数值大小，后期可根据需要进行单元结果的提取，方便工程设计人员使用；GTS/NX里输出的结果为应力图形，虽模块清晰易改动、可视性强、交互式图形界面方便使用，但其前期建模较SAP84时间较长，后期用户还需要将其单元内力进行提取，后处理工作量较大.值得注意的是GTS/NX里单元内力是基于单元局部坐标系输出的，梁单元的弯矩、轴力等提取时应保证局部坐标系的方向统一，可以通过反转、转动等方式使其一致.

(a)SAP84 (b)GTS/NX图8 准永久组合剪力图

(a)SAP84 (b)GTS/NX 图9 准永久组合轴力图

表2 顶板结构内力结果汇总表

项目板端(1)跨中(2)aba-bM'aba-bM'基本组合M0/kN·m799800.57-1.570.2444454.05-10.052.26N0/kN14911484.96.10.41935915.6719.332.07V0/kN609613.09-4.090.670000准永久组合M0/kN·m535537.74-2.740.51297304.64-7.642.57N0/kN998997.540.460.05626620.455.550.89V0/kN408411.64-3.640.890000

表3 底板结构内力结果汇总表

项目板端(3)跨中(4)aba-bM'aba-bM'基本组合M0/kN·m14201426.06-6.060.4312861259.2326.772.08N0/kN10481045.492.510.2410481045.492.510.24V0/kN15221526.21-4.210.280000准永久组合M0/kN·m)952958.48-6.480.68821845.72-24.723.01N0/kN703702.940.060.01703702.940.060.01V0/kN10191025.46-6.460.630000

表4 侧墙结构内力结果汇总表

项目顶板支座(5)跨中(6)底板支座(7)aba-bM'aba-bM'aba-bM'基本组合M0/kN·m799800.57-1.570.20388374.5113.493.4814201426.06-6.060.43N0/kN14651462.12.930.2016281539.4-88.65.4415401627-875.65V0/kN692686.495.510.80000010481045.492.510准永久组合M0/kN·m535537.74-2.740.51260252.027.983.07952958.47-6.470.68N0/kN981983.55-2.550.0510321034.1-2.100.2110911093.14-2.140.20V0/kN464461.302.700.580000703702.940.060

图10 基本组合下差值率

图11 准永久组合下差值率

由图4-图9可以看出，两款软件计算后顶底板及侧墙的弯矩、轴力及剪力图形趋势相同，数值大小基本一致；图10、图11可看出差值率控制在0～6%之间.两种组合下正弯矩最大值出现在两侧边墙与底板的连接部位处，底板中间部位也有较大负弯矩值，而结构拱部的弯矩则较小.因此可选择边墙与底板连接部位作为结构配筋设计的控制截面，这样则是比较安全的.

由图10、图11可知，底板端部处弯矩的差值率结果稍微偏大，其主要是因为模型底板端部接地弹簧刚度取值不同引起的.由于两款软件在地弹簧参数输入方式各异，GTS-NX里是输入基床系数和单元长度程序自行计算，并且一般为默认单元长度为1，而SAP84里是输入弹簧刚度需事先人为进行单元长度取值和计算，这里单元长度因定数等分而往往小于而接近于1，但二者均对其计算结果影响不大.在准永久组合下轴力差值率及两种组合下剪力差值率均在1%以内，基本组合下轴力差值率最大也仅为5.65%，均在可接受范围之内.且表2-表4也详细列举了两种软件分别在各点处的数值大小，其值也可为同类工程提供一定的参考.

4 结论

通过计算研究可知：

(1)模型初始参数的输入方面SAP84十分便捷、准确，GTS/NX软件里则需事先查阅文献资料确定参数较前者显得繁琐、易出错，但其参数变更十分便利.

(2)曲面弹簧可以自动生成固定约束边界条件，地下荷载结构模型里设置的曲面弹簧类型应是仅受

压的，其基于整体坐标系中，接地弹簧应与实际情况一致，建模加载时应考虑合理正确的加载方式和荷载线性变化的特性.

(3)两款软件计算结果内力图形趋势一致，在两种组合下结果相差不大，差值率小，最大差值率也仅为5.65%.同时均可输出方便结果提取的内力图形，结果能直接按文献[9]进行弯矩配筋计算及裂缝验算工作，也可将数据导出形成表格、文本文件等形式进行后期操作.

(4)由于地下结构形式的多样性、自身和环境风险源的复杂性，对于风险源等级高的工程尤其是重要部位需使用大型有限元软件进行三维分析计算时，GTS/NX就可以根据结构需要定义线、面以及实体单元等进行模拟，SAP84在此方面有所欠缺.若结构形式比较单一、相对标准类似本例，设计人员对其所使用的程序或软件没有版权、规定等其他要求，使用SAP84较Midas GTS/NX更为方便、快捷.每款计算软件都有各自的优缺点、适用性，工程设计人员应择优选取，减少建模失误，提高建模效率.

[1]赵克生.浅埋暗挖法地铁隧道超近距离下穿既有线技术[J]. 市政技术，2007,253(5):358-362.

[2] 北京大学力学与工程科学系.有限元分析通用程序SAP84使用手册[EB/OL]. (2016-03-28). http://www.sap84.com.cn/.2016.

[3]北京迈达斯技术有限公司．分析与设计原理[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011:10-15.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50307-2012城市轨道交通岩土工程勘察规范[S]．北京:中国计划出版社，2012．

[5]于丹，张晶，陈殿强等．沈阳城区土的塑限和液限相关性分析——以沈阳地铁一号线段为例[J]．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2015，31(4):628-635．

[6]张亮亮.南京地铁三号线隧道衬砌结构断面优化研究[J]. 土工基础，2014,28(2)：43-46.

[7]于丹,于均园,张海洋,等.沈阳地铁工程地质问题[C]. [S.l.]:第21届结构工程议,2012.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50009-2012《建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012．

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50010-2010混凝土结构设计范[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010．

(编辑：姚佳良)

Application and comparison of SAP84 and GTS/NX in the basement of underground structure model

YU Dan1，CHEN Jun1，HUA Peng2，LANG Lei1

(1．School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168,China;2．The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251,China)

In order to improve the efficiency, reduce the engineering modeling error two kinds of calculation softwares in underground structure engineering were analyzed. Put a site entrance shallow depth excavation section as an example in Shenyang metro,we compare the initial parameter′s input,model′s build,load′s combination and calculation results,and separately illustrate the differences,the advantages and disadvantages,attentions and applicabilities between the two softwares. Results show that the trends of internal force diagram are consistent and their results are similar.SAP84 is more convenient and intuitive than GTS/NX in establishing model and calculating for similar engineering. The case can provide a reference for similar engineering design.

SAP84;GTS/NX;finite element;underground structure

2016-04-15

国家自然科学基金项目(41072190)；沈阳市科学技术计划项目(F13-164-9-00，F13-165-9-00)

于丹，女，2538585418@qq.com; 通信作者：陈俊，男，chen7tumu@126.com.

1672-6197(2017)01-0001-06

TU91

A