基于MIDAS的综合交通枢纽施工全过程数值模拟方法研究＊

焦忺玥

（中国铁路设计集团有限公司，天津300142）

1 引言

随着城市规模扩大和经济发展，综合交通枢纽在城市发展中的作用日益凸显，成为城市交通网络中的关键节点。综合交通枢纽同时也进行多样开发，逐渐成为城市的门户，大大推进城市化进程。为实现多线交通换乘、综合物业开发等功能，综合交通枢纽具有体量大、结构复杂、施工困难等特点，因此对综合交通枢纽工程进行施工全过程的三维数值模拟至关重要。有限元分析方法综合力学分析理论、数学计算方法和计算机分析技术，可较为准确的模拟实际工程问题[1-4]。本文基于MIDAS GEN有限元软件对深圳市大运综合交通枢纽的施工全工程的数值模拟，对方法步骤、要点难点、结果分析、尚待解决的问题等方面进行了总结与研究，对大型综合交通枢纽的数值模拟具有参考及导向意义。

2 工程介绍

大运综合交通枢纽位于深圳市龙岗区大运新城片区，现状为3号线的大运站，规划14号线、16号线和深大城际在此站换乘，形成4条轨道线路换乘的枢纽站。轨道14、16号线大运站为双岛四线地下三层车站，长约372 m，标准段宽约62 m；同时为实现枢纽四线便捷换乘，于新建大运站西侧地块设置地下三层地面两层的交通核，其地下部分与车站合建。

大运综合交通枢纽工程项目情况复杂、规模巨大，设计范围的总建筑面积约13.5万m2，总土方量约142万m3，总混凝土量约33万m3，相当于14座标准车站的体量。并且综合地质、周围环境、地面道路交通、工期及造价等因素，大运枢纽分区域采用多种工法、分期施工。

大运枢纽车站小里程14号线左线始发井采用明挖法施工，14、16号线车站1～7轴采用盖挖逆作施工，车站7～34轴部分顶板逆作，其余采用明挖施工，换乘交通核部分采用盖挖逆作施工。

3 软件介绍

3.1 MIDAS GEN介绍

MIDAS GEN是由韩国MIDASIT公司研发的一款基于Windows平台的建筑结构有限元分析软件，通过了ISO14001：1996（环境管理体系）、ISO 9001：2000（质量管理体系）、中国国家软件评测中心以及韩国电算结构工学会等多家权威机构的认证[5]。

MIDAS GEN软件内包含桁架杆单元、梁单元、平面应力（应变）单元、墙单元（平面内/平面外弯曲）、板单元（厚板/薄板、平面内/平面外厚度、正交异性）、只受压（拉）单元及间隙单元等多种单元类型，并且包含进行静力分析、力分析、静力弹塑性分析、几何非线性分析及施工阶段分析等多种分析模式。

3.2 施工阶段建模步骤

利用MIDAS GEN软件的建模步骤大致分为结构线条文件（DXF等格式）导入，划分板墙、围护、梁柱等单元并建立相应的结构组，对各类单元赋予材料属性以及统一单元坐标值，施加作用荷载并建立相应的荷载组，添加边界约束并建立相应的边界组，进行施工步设计（依据实际施工情况激活或钝化相应的结构组、荷载组及边界组），最后对施工阶段进行模拟。对应不同施工阶段下结构状态，计算每一施工步完成时结构的变形和内力，以前一步的计算结果为基础进行计算，最后将各个施工步的计算结果进行累加，即得到结构最终的受力状态。

4 难点分析与处理

针对大运综合交通枢纽工程，利用MIDAS GEN软件建立三维施工全阶段模型，主要包含车站小里程端盖挖逆作区域、车站大跨盖挖顶板及其余明挖顺作区域、交通核盖挖逆作区域等。大运枢纽模型共计265 654个单元，43个结构组、22个边界组、18个荷载组，并依据实际施工安排与进度设计21个施工步（包含初始施工阶段至最终使用阶段），其中多区域、多工法交叉。大运枢纽三维模型如图1所示。

图1 大运枢纽三维模型图

以大运枢纽三维模型为例，对大型综合交通枢纽三维建模的难点进行分析与细节处理。

4.1 施工步设计

因MIDAS GEN施工阶段分析是以激活（钝化）各类结构组、荷载组和边界组为基础，所以对实际施工顺序、工法等需细致地将每一施工步要激活或钝化的组整理清晰，并在建模过程中建立完整条理的各类组。例如顶板单元包含先施工的逆作顶板、后施工的顺作顶板、出土孔后作顶板等部分，因顶板的各部分不是在同一步激活，所以都应分别放置在不用的结构组中，再分别激活。

4.2 边界模拟

4.2.1 地层及立柱桩模拟

土层边界采用仅受压弹簧模拟，弹簧刚度根据土层的水平基床系数取值，立柱桩、抗拔桩等采用拉压弹簧模拟，同时水平方向也需要设置拉压弹簧，弹簧刚度根据工程试桩报告取值。在大型枢纽工程中，因工程面积大，往往存在基坑底部地质差异等情况，影响结构受力、造成柱底沉降差异等。对大运枢纽范围内基坑底部地质进行分块统计，依据土层性质与分布范围共划分12个土层区域，分别进行土层弹簧刚度计算，确保模拟的真实性与准确性。

4.2.2 盖挖顶板与围护桩边界模拟

在盖挖逆做区域，围护桩需要支承最先施作的结构顶板，对实际情况进行分析，围护桩与顶板之间仅传递力，不传递弯矩。在模型中围护桩单元与顶板单元共用节点即代表刚性连接，既能传递力又能传递弯矩，并不符合实际受力情况。因此需采用释放板端弯矩功能对围护桩单元的共用节点进行弯矩释放，使其不再传递弯矩，准确模拟实际情况。

4.2.3 侧墙与围护桩的连接模拟

侧墙与围护桩之间无刚性连接，仅存在挤压受力的情况，因此采用压杆模拟其连接。利用扩展功能将彼此对应的节点一一相连为压杆单元，压杆设置为仅受压单元属性，刚度无限大，仅传递压力，且不受其余荷载作用，可以准确模拟实际情况。

4.2.4 一般支承边界激活

一般支撑类型的边界组在施工步中激活时需要选择“变形前”或“变形后”。在某一个施工阶段激活边界组时，所施加边界的节点可能已经发生位移。“变形前”代表将该节点强制恢复至未变形时的位置，边界存在强制位移产生的反力，但节点位移为零；“变形后”代表在该节点变形后的位置施加边界条件，边界不存在反力，但节点位移不为零。在激活时需根据实际情况进行选择，确保模拟准确。

4.3 特殊荷载

4.3.1 立柱差异沉降

盖挖逆作施工中需注意立柱差异沉降所导致的结构受力。若对地层进行了差异分块，则不需再单独对该部分荷载进行考虑，若未区分地层差异，则需选取有代表性的立柱，分阶段施加向下的强制位移，并约束其余立柱底部节点，以模拟差异沉降荷载的影响。

4.3.2 温度荷载

温度荷载包含整体的升温或降温荷载以及温度梯度荷载。大运枢纽模型中主要考虑运营温度与结构合拢温度不同所造成的整体降温的不利温度荷载。MIDAS GEN中直接输入温差模拟温度荷载。降温温度的计算公式为：混凝土降温度数ΔTmin=Tsmin－T0max，Tsmin为运营期最低温度，℃；T0max为混凝土合拢温度加温度误差，℃。

因枢纽工程体量较大，降温温度荷载会使结构产生较大的拉力，从而梁、板等构件处于拉弯受力的不利状态，所以模型中不可忽略温度荷载。同时混凝土收缩徐变所带来的影响也不可忽略。模型中以降温﹣4.5℃对混凝土的收缩徐变影响进行简化模拟。

5 结果分析

由于热胀冷缩，降温温度荷载会使结构构件产生较大的拉力，在长度较长的纵梁中尤为明显，甚至成为结构构件设计的控制性因素。楼板大开孔处结构构件受力变化较大，孔边梁产生较大的扭矩，其下柱顶产生较大的弯矩，需对孔边梁等结构构件进行弯剪扭受力状态验算。并且温度荷载等产生的拉力在孔洞边缘的梁板处出现增大现象。因在模型中板单元（无厚度）与梁单元是相重叠的，应读取相应梁宽内的板带内力并且相加，作为梁单元的内力进行梁构件的设计与验算。三角形等不规则单元会导致计算结果出现不规则极值，应在建模时尽量规避不规则单元，如若不能，读取结果后进行合理舍取。

6 尚待解决的问题

无法在施工模型中考虑各项荷载的系数。在施工阶段分析中，软件默认各种荷载的系数为1，不能灵活为不同种类的荷载设置不同的分项系数。无法将使用阶段高、低水位、活载控制、温度控制等不同荷载组合的情况与施工阶段模型在同一个模型中进行计算。若考虑使用阶段的多种荷载工况，需另建立非施工阶段模型进行计算。施工阶段分析结果中无法提取施工阶段内力的绝对值包络图。MIDAS GEN对大型结构模型的建模及模拟能力还需增强，如添加（删除）弹性连接、使用荷载组合等功能时需耗费大量时间并时常造成卡机。