基于-空间网格法-的地道箱体有限元建模方法研究

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1、第5期（总第181期）No.5(SerialNo.181)2015年10月CHINAMUNICIPALENGINEERINGOct.2015DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2015.05.027基于“空间网格法”的地道箱体有限元建模方法研究张建军，宿霄男，杨阳（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074）摘要：以呼和浩特市万通路（东客站西路）地下通道及管网工程为背景，采用有限元软件MIDASFEA对地道箱体结构较精确的求解，并利用桥梁上常用的软件MIDASCivil,采用实体单元、板单元、单宽梁单元框架以及“空间网格法”4种适用于地道箱体的有限元建

2、模方法进行建模，对不同建模方法的计算结果进行对比与分析。结论表明，采用“空间网格法”有限元模型模拟地道箱体满足工程精度要求，并可根据荷载不均匀程度输出不同的单位宽度内力，便于精细化配筋设计。关键词：桥隧工程；精确数值解；空间网格法；地道箱体；有限元模型中图分类号：U452.2文献标志码：A文章编号：1004-4655（2015）05-0084-02本文首先结合呼和浩特市万通路（东客站西路）计算模型底部边界条件采用面弹簧的方式，整3地下通道及管网工程为计算模型，对地道箱体结构体坐标系3个垂直方向的刚度均为200000kN/m。的真实解进行讨论，然后采用包括“空间网格法”模型共计算2种荷载

3、工况，一种是自重荷载工况，在内的不同有限元建模方法对地道箱体进行模拟，另一种是沿第2室顶板跨中线性分布的均布荷载，对比不同方法的计算结果，评价“空间网格法”用荷载大小1000kN/m，如图1c）所示。于地道箱体建模的优越性。2较精确的有限元解1计算模型的选择与确定理论上说，对于结构受力的真实解，应该通过呼和浩特市万通路（东客站西路）地下通道及建立微分方程求解。复杂形式结构的微分方程精确管网工程，地下道路全长1492.542m，具有结构解不一定能够得到，甚至解决问题所需要的微分方埋深变化大、土层分布较不均匀、部分箱体斜交以程也无法建立，因此过于追求复杂结构受力的真实及断面大等特点。因此选

4、择工程中特点显著的某地解是不现实的。道箱体作为计算模型，考虑到采用板单元建模时不本文则采用MIDASFEA（土木结构非线性详能很好地模拟掖角，故采用图1所示的无掖角单箱细有限元分析系统）以及ANSYS（大型通用有限四室斜交地道箱体作为最终的箱体计算模型。元分析软件）对选定的计算模型进行较精确的有限元模拟，主要体现在以下2个方面：分别采用8节点及20节点Serendipity六面体实体单元建模对比；805808080采用不同的网格划分精度0.2m、0.25m、0.35m1005951101008601320132086010024002400及0.5m进行对比。4800a）计算模型断面图

5、2种荷载工况计算模型的变形等值示意图（以ANSYS中的变形截图为例）见图2。84°道路设计中心线180096°b）计算模型平面图c）计算模型立体图及荷载位置图1计算模型示意图（cm）a）自重作用下b）线均布荷载作用下图2结构的变形等值示意图收稿日期：2015-08-05通过上图可以看出，斜交箱体在对称荷载作用第一作者简介：张建军（1978—），男，高级工程师，本科，下的变形会出现不均匀的分布（主要见于图2等值主要从事道路、交通、桥梁、隧道方面的工作。84张建军，宿霄男，杨阳：基于“空间网格法”的地道箱体有限元建模方法研究2015年第5期色在箱体两端的分布差异）。随着斜交角度的增大，将以

6、上4种建模方法进行汇总，分别对比低、导致内力呈不均匀分布。中、高3种不同建模精度下几种方法在自重、线均通过对比选用MIDASFEA中二次实体元的计布荷载作用下的挠度和应力计算结果。算结果作为该地道箱体特征点处的较精确的有限元在低建模精度情况下，各种建模方法计算结果解（后文简称“真解”），具体数值如表1所示。与“真解”的相对关系示意图见图4。在中等建模精度情况下，各种建模方法计算结果与“真解”的表1地道箱体结构的精确数值解汇总表划分精度0.2m0.25m0.35m0.5m相对关系示意图见图5。在高建模精度情况下，各最大竖向挠度/mm1.7211.7171.7141.707种建模方法计算结

7、果与“真解”的相对关系示意图自重顶板下缘最大法向1.23731.23511.23241.2216拉应力/MPa见图6。最大竖向挠度/mm8.2508.2288.2098.168线均110顶板下缘最大法向布力11.315211.101410.928410.8295105拉应力/MPa3空间网格法100目前，桥梁设计者们普遍采用的框架箱体计算9590方法有下面几种：采用与地道长度同宽或单位宽度百分比/%85的梁单元连接形成闭合框架模拟框架箱体；采用