巖土問題數(shù)值解決方案-midasGTSNX通用巖土有限元分析軟件-20150702

1、從捺標到設計，整體解決方案為BS地鐵工程巖土問題數(shù)值解決方案midas GTS巖土和隧道有限元分析軟件編制：劉敏聯(lián)系方式案日期：2013-8-28ItfilDAb北京邁達斯技術有限公司北京邁達斯技術有限公司目錄目錄1一、北京邁達斯公司簡介 2二、軟件功能22.1 midas GTS NX軟件功能簡介 22.1.1基本版32.1.2隧道建模助手模塊 82.1.3動力分析92.1.4地形生成器模塊122.1.5固結分析122.1.6 邊坡穩(wěn)定分析 132.1.7滲流分析162.1.8襯砌設計192.1.9動力荷載生成器202.1.10 64位求解器及GPU并行計算內核 2

2、22.2本構232.3單元23三、GTS NX的前、后處理 243.1前處理243.1.1 操作界面243.1.2數(shù)據(jù)導入與數(shù)據(jù)導出 243.1.3幾何建模253.1.4網格生成263.2荷載與邊界283.3后處理2944、北京邁達斯公司簡介邁達斯技術有限公司（ MIDAS Information TeChnoIogy Co., Ltd.）成立于2000年9月1日，隸屬于世界界最大鋼鐵制造廠商浦項制鐵開發(fā)公司。北京邁達斯技術有限公司為MIDASIT在中國的唯一獨資公司，成立于 2002年11月，從事建筑結構、橋梁、巖土隧道、機械 等工程領域的分析與設計軟件的開發(fā)、銷售、培訓和咨詢工作，擁有獨立

3、的開發(fā)團隊，并且在北京、上海、廣州、成都、沈陽、武漢、西安、南京、福州、昆明、石家莊成立了11個分公司。北京邁達斯技術有限公司始終以人才 創(chuàng)新 挑戰(zhàn)”作為經營理念，以打造工程師美好生活、為設計行業(yè)提供新的價值、用技術創(chuàng)造社會幸福作為我們的開發(fā)理念。目前MIDAS產品在中國用戶已達 3000家以上。二、軟件功能2.1 midas GTS NX軟件功能簡介midas GTS NX通用巖土有限元分析軟件（以下簡稱GTS NX ）是國內企業(yè)用戶最多的三維巖土分析軟件，適用于邊坡工程、地鐵工程、隧道工程、樁基工程、水利工程、礦山工 程等項目類型；可便捷實現(xiàn)復雜模型在靜、 動（地震、爆破、移動荷載）荷載下

4、的響應分析， 具體包括施工階段、滲流應力耦合、邊坡、固結、動力分析等功能。目前在國內地鐵隧道分 析設計、邊坡穩(wěn)定分析、 基坑開挖、軟土地基處理、壩體滲流分析以及各種動力分析等工程 項目，具有廣泛知名度。其中GTS NX用戶400余家，其中高校用戶 100余家。GTS NX的典型企業(yè)用戶有：鐵道部第一至第五勘察設計研究院、北京城建設計研究總院、中鐵咨詢設計研究院、 沈陽鐵道勘察設計院有限公司、中國建筑東北設計研究院有限公司、遼寧省交通規(guī)劃設計院、黑龍江省電力勘察設計研究院、吉林省水利水電勘測設計研究院、吉林省公路勘測設計院、中國電力工程顧問集團東北電力設計院等。GTS NX的典型高校用戶有：同濟

5、大學、河海大學、中南大學、北京交通大學、西南交 通大學、東北大學、哈爾濱工業(yè)大學、沈陽工業(yè)大學等。采用GTS NX所做的工程項目有：摩納哥國賓塔深基坑開挖、迪拜范思哲酒店樁筏基礎分析、西安地鐵 2號線對鐘樓影響評估、北京地鐵14號線開挖對樁基的影響、上海9號 線宜山路站基坑開挖對周邊建筑影響、平莊西露天礦高邊坡、溪洛渡電站地下廠房等。GTSNX是由基本版及9個巖土專業(yè)功能模塊構成，基本版為基本平臺，9個模塊分別為：隧道建模助手、動力分析、地形生成器、固結分析、邊坡穩(wěn)定分析、滲流分析、固結分 析、襯砌設計、動力荷載生成器、64位求解器及GPU并行計算內核?；景婕案髂K功能相關介紹如下。2.1.

6、1基本版錨建模助手：便利地建立錨桿模型；可直接輸入灌漿長度 （錨固段）與未灌漿長度（自由段）；方便地定義預應力；采用植入式桁架單元，不需要節(jié)點耦合也可以計三維：基坑樁錨支護圖2.1錨桿建模助手靜力分析：線性靜力分析、非線性靜力分析、彈塑性分析、荷載結構分析（結構內力計算）：彎矩、軸力、剪力，如圖 2.2。GTS NX除了支持材料非線性分析外，可進行幾何非線性和接觸非線性分析。結構計算簡圖A HftWi V結構彎矩結構軸力結構剪力圖2.2結構靜力計算（北京某地鐵車站計算）溫度應力分析混凝土結構的溫度應力在大型混凝土結構的設計中是一個復雜的問題。以基坑為例，支撐體系往往會因為溫度的變化產生熱脹冷縮

7、，從而導致支護結構產生一定的附加變形和支撐的附加軸力。GTS NX基本版可對所有單元都能進行溫度變化分析，查看結構的溫度應力和溫度內力。圖2.3為GTS NX在南京長江第四大橋南錨碇基坑地下連續(xù)墻溫度應力分析中的圖2.3溫度應力分析（南京長江第四大橋南錨碇基坑）施工階段分析施工階段分析用于邊坡、基坑、地鐵、采礦等施工過程的模擬，常用于分析施工工法優(yōu)化、支護結構受力分析、臨近建筑風險評估。GTS NX通過拖拽就可以輕松定義單元 生死，并可以直接輸入荷載釋放系數(shù)，模擬圍巖應力逐步釋放過程。下圖2.4為北京地鐵十號線蘇-黃區(qū)間不同施工工法比較的數(shù)值研究。有限元模型Ko左右側上導洞開挖支護完成后的地表

8、沉降IM .F-E Im】#亍IilUA S .辱衣£1-1W StKf . KAl左右側導洞開挖支 護完成后的地表沉 降左右側導洞二襯完成后的地表沉降I I w BIVUhlH 劃IMErj 4* . KW中間導洞開挖支護完成后的地表沉降- PUi甲 Ial-3-irK »1 AiJiAflfti1 川翊耐刪.1 SBOMbJHJ-JJMfIfc-T?*ja書Hm -TiWMKQZ mEs 麗H3C3»4RQ 站 TH*4JfiSJIrNW 4UJWI AHSMttS>1 m4iu3Jrtl60C1町51 JRMJfrXKQ .12JIrtTKeXQ 4W

9、½ -a<j3e 9QiWe-JEfiUttbWJ*W>-WQ斗 *tW4 raises-? IMWb-Hl-4 BrtHe-JOG- 叮 mMB>d0v 乜加Imx財 W 卄 DIaooC I JAOMh-fl "BKMOCt 'I Oi3h PNAAVIj沖 hMi RudU17 j 、 *mv-wu, I _ -S *ECF-!X1I ：審時叫血 必12十 5BL :jjHMm I ' i> JtfIdMJ j) *-1 423-nZ ' !Stol*R>所有襯完成后的地表沉降I KxIT J 4IJ H - &g

10、t;QT4h Id冊>旦MIm DU BeH-IiMiA-WmtR0t> ：_： .j: HRhEDH TrXriaTA.叱 L-SIBIlHI3*. a Jri i ' !». -AWIfHQ MIr- HJ JIHlrHgT-E K?ZB»4K圖2.4北京地鐵十號線蘇-黃區(qū)間不同施工工法比較2.1.2隧道建模助手模塊此模塊多用 于常規(guī)隧道與地鐵車站區(qū)間建模計算，對話框模式，輸入隧道幾何尺寸、 支護結構材料、施工工況、網格尺寸四個步驟即可便利地建立隧道模型，并直接進行計算。如圖2.5：SteP 1.輸入隧道幾何形狀及尺寸SteP 2.輸入支護結構材料圖

11、2.5隧道建模助手TTO"LlSClIl-i33EIUIIiTlWli-t豔511»1IiISI沖1?!InTIQ I B2.1.3動力分析GTS NX模擬巖土與結構在動荷載作用下的響應，如上部結構與下部地基的協(xié)同抗震分析、邊坡抗震分析、隧道爆破分析、移動荷載作用下路基穩(wěn)定性分析、地基液化分析等。提供一維自由場分析、二維等效線性分析、特征值分析、反應譜分析、線性/非線性時程分析、非線性時程分析與強度折減法耦合、靜力與動力耦合分析等；移動列車荷載下路堤的穩(wěn)定性分析見圖2.6所示，線性動力計算與非線性動力計算結果比較見圖2.7所示。t=2s :塑性應變安全系數(shù)：1.03圖2.6

12、非線性時程與強度折減法耦合分析Mw nHIijhnSJl fli-rc線性動力分析位移結果非線性動力分析位移結果41 UmeGV-CCI .ip+ -J-;!-H -,JJ1E H IiWIZr-U: I7751-KJ-0L-r>-17"*. iW 務 i* IJ-Jfc-ll' 1I宀f1=Hl!IIljCElEiILJ1-MK Il '% VMJ>GOI '4 Tsaigg Q jht j. i常 5MM M-WX! t4L-C; 牯HHgnE l+rEftM.te ,.+"ESB i' *F JOlJrt-OKn Z Klf

13、 6. a 析位移結果比較（圖表中紅色為非線性結果）RelatlVe DlSPlaCement Of TUnnel0510Time(SeC)Lin earNon-Ii near15線性和非線性動力分0302OOOO001 2 O O - - -圖2.7線性動力計算與非線性動力計算結果比較2.1.4地形生成器模塊GTS NX中可通過讀取地形等高測繪圖（ DFX格式），模擬復雜地形， 從而對復雜地形進行快速建模，常用于邊坡、公路隧道地層、地表的精確模擬。如圖2.8：圖2.8地形數(shù)據(jù)生成器快速建模流程示意圖2.1.5固結分析GTS NX中可進行二維、三維排水及非排水固結分析，模擬軟土地基在荷載作用下

14、超孔隙水壓消散過程。程序可定義排水邊界、非固結邊界等，可高效地處理固結計算問題。如圖2.9為固結計算結果:地基處理計算模型計算結果:超空隙水壓工 tLEUd! lRE計算結果： 時間-空隙 水壓關系 曲線圖圖2.9固結分析結果（某地基處理工程-擠密砂樁）2.1.6邊坡穩(wěn)定分析GTS NX中提供兩種邊坡穩(wěn)定分析方法：強度折減系數(shù)法（SRM）與應力極限法（SAM）。其中，強度折減系數(shù)法可提供最小安全系數(shù)、位移、應力、應變等結果，并且可進行三維天,可考慮結構與土體協(xié)同作用,然邊坡計算。此外，由于兩種方法都屬于有限元數(shù)值分析可進行施工過程中的邊坡穩(wěn)定分析，可考慮水位、降雨、地震、加固等條件下的邊坡穩(wěn)定

15、性分析。圖2.10和圖2.11為采用強度折減系數(shù)法計算的邊坡結果。有限元模型4¥-Xit加筋帶長度L=12m安全系數(shù)：1.187I >加筋帶長度L=22.5m安全系數(shù)：1.38加筋帶長度L=30m安全系數(shù)：1.518圖2.10攀枝花保安營機場邊坡項目（SRM）有限元模型自然坡：總位移安全系數(shù)：0.7臺階削坡+錨桿+ 噴混邊坡：總位移安全系數(shù)：2.12臺階削坡+錨桿+ 噴混邊坡：多剖面 總位移安全系數(shù)：2.12臺階削坡+錨桿+ 噴混邊坡：錨桿軸 力圖2.11承德市鐵礦邊坡（SRM）2.1.7滲流分析GTS NX支持二維、三維瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)滲流分析，如堤壩滲流分析、基坑降水、邊坡降雨等

16、模擬，輸出侵潤線、流量、流網、梯降、流速等結果。內置非飽和土特性函數(shù)定義，如圖2.12所示。此外，程序還提供了日本建筑工程學會（JICE, JaPan InStitUte Of ConStrUCtionEngineering ）提供的不同土壤的非飽和特性函數(shù)，如圖2.13所示。圖2.12非飽和土特性函數(shù)定義 -wfii< 覽oCM宮帕旳IB(tt>r*工JAC")14cJlao0®|SoeooorISMcI0*w>rt4-QQfleoOa19 WSOnTED EHIQaaoa_50400CM謝0040009俯ImBQICCH DflQ3HM9Ol-120D

17、O4aaOM«11013MOoi02MIZQOaDEa2tsa13(Mmelol14、TTMnr9 IW . _ _ _BIg0«IDCOclIOM)O1Oe> OiInO0«2«4at3amQfiQISa 34J3口 <MDi皿5啊皿帥I'>LIrJOMCHl3a 37D JD口 IraM0a DBo)JDQiNDC50 HOCn-T 1DO4QO0 Iaflt:O11J3口 JrGniiIJ013 EMO0 90l14-mo<w_ II 0. Ci 3 M I.K 1.1MI 9.1 l-3I J L 1.U ： .|

18、 C.3T- ' *f r «-«aw -tjj J ； J fl奇英土 '>F, NFl aKE)3t± tj W-Fh弱：CJ W!踴二:j S-F, 5FI JKD秒時土 :SJj OFh (SF： ar：E)砂質土邛】QKE)fc± T> C 口1徒± DnL ECJ (JTCE)用戶龍丈用戶定史圖2.13 GTS NX中提供的非飽和土函數(shù)此外，滲流計算結果可直接與應力進行耦合，進行滲流-應力耦合間接或者直接分析也可考慮有水存在的情況下邊坡的穩(wěn)定分析。圖2.14為某海底隧道滲流-應力耦合分析滲流與應力耦合計算

19、結果，圖2.15為考慮降雨的邊坡穩(wěn)定分析。海底隧道水位分布有限元模型水頭邊畀開挖完成后空隙水壓力fUMT W I PaS PlWln 七Hlvl £CWUj.lW!ST IS-H開挖完成豎向位移（滲流-應力耦 合）IMOH»4H3- L.a-3 I PK3M3I4*4Q3 a>3K4 Sa-DQl30J訂殲Hm*jm3I ' d. jsrauEq Z9r*<-I-J 5JR33OC-J r j « JL! jc,u.M 111 B MUIMT町 ftl . tlldui it.皿巧圖2.14某海底隧道滲流-應力耦合分析（CRD開挖）輸入降雨強度

20、壓力水頭考慮降雨強度的 三維非穩(wěn)態(tài)滲流 分析各時間步的水位變化應力滲流耦合分析安全系數(shù)：1.5圖2.15考慮降雨的邊坡穩(wěn)定分析2.1.8襯砌設計GTSNX為專用的巖土與隧道分析程序， 在程序中內嵌入公路隧道與鐵路隧道設計規(guī)范,通過GTS計算出支護結構內力，進行配筋，并自動生成設計計算說明書，如圖2.16所示:圖2.16襯砌設計對話框（公路隧道與鐵路隧道規(guī)范）2.1.9動力荷載生成器GTS NX提供了爆破荷載及列車荷載自動生成器，程序中推薦6種爆破荷載公式自動計算爆破荷載，如圖2.17所示:爆破動力荷載定義圖2.17自動生成爆破荷載GTS中由列車荷載數(shù)據(jù)庫自動生成列車移動荷在函數(shù)，使用移動荷載法

21、模擬列車移動效果，將車輛荷載理想化為瞬間作用在節(jié)點上的三解形沖擊荷載進行分析。此外，用戶也可自定義列車荷載，如圖 2.18所示：5 自動計彈的列車荷載圖2.18自動生成列車荷載F圖為考慮爆破荷在對既有隧道的影響:爆破函數(shù)計算模型及爆破荷載計算隧道分布圖n 7o.D-SD.1CIamwn «l口e m-i o.h<qib o.Vl>« 1IC圖2.佃爆破荷載對既有隧道的影響2.1.1064位求解器及GPU并行計算內核為了滿足市場需求，GTS由之前的版本到 V2013版最大的改變便是采用了 64位求解器以及采用GPU顯卡并行計算，極大地提高了模型的分析速度，可提高

22、316倍（模型越大，提高速度越明顯），圖2.20為新、老版本進行模型分析所用時間分析。渓 英弓匡卡：C2(5(1.14GH.44SCUDA Co=：.I甲jSMS33,8O2自由世-r »l¾3GT5frGK5 IOV (+40)fGT5 (GPU)1f圖2.20新、舊版本分析速度比較說明圖綜上所述，GTSNX專業(yè)版及各分析模塊共同構成了強大的巖土分析功能，以下兩個 環(huán)節(jié)也主要是圍繞 GTS NX巖土領域里應用的專業(yè)性進行闡述。2.2本構GTSNX為巖土專業(yè)分析軟件，程序涉及到相關的巖土計算模型主要有21種：彈性本構、橫向各向同性、特雷斯卡、范梅賽斯、德魯克 -普拉格、莫爾

23、-庫侖、霍克-布朗、廣義霍 克-布朗、鄧肯-張、修正劍橋粘土、節(jié)理模型、 Jardine、修正莫爾-庫侖（硬化土）、小應變 硬化土、軟土蠕變、關口 -太田（粘性、非粘性）、蘭貝格-奧斯古德、哈丁 -唐尼維奇、修正 UBC Sand、D-min。此外，GTS NX可對本構進行用戶自定義 。2.3單元GTS NX針對巖土工程，分為一維單元、二維單元、三維單元及連接單元，分別介紹如下：一維單元：桁架、植入式桁架單元、植入式梁單元、梁單元（變截面）、樁單元、土工格柵、只受壓單元、只受拉單元、間隙單元、鉤、1D僅顯示；二維單元：板單元、測量板單元、平面應力、平面應變、軸對稱、土工格柵、2D僅顯示；三維單

24、元：四面體/五面體/六面體實體單元；連接單元：彈簧連接、剛體連接、殼界面、接觸單元；三、GTS NX的前、后處理3.1前處理3.1.1 操作界面GTS NX為麗版的OFFlCE中文操作界面，人機對話式操作方式，符合亞洲人思維習慣及操作習慣，為用戶提供便利的操作環(huán)境，圖3.1為GTS NX操作界面窗口。圖3.1 GTS NX操作窗口3.1.2數(shù)據(jù)導入與數(shù)據(jù)導出為了方便建模，GTS NX支持多種數(shù)據(jù)的導入及導出。GTS支持的導入格式有：STEP、IGES、BreP、ParaSolid、DXF 2D/3D（CAD ）、STL （網格）、midas MXT （可與 midas 結構產品 midas G

25、en 與 midas Civil 互導），圖 3.2 為 GTS NX 導入 midas Gen 與 midas Civil 模型,通過上部結構導入下部巖土中，可進行整體分析，可更真實地考慮地基應力改變對周圍環(huán)境的影響。FW 勲tr.(a) midas Gen 模型導入 GTSNX 中(b) midas Civil 模型導入 GTS NX 中圖 3.2 midas Civil 型導入 GTS NX 中3.1.3幾何建模GTS NX提供中端CAD水平的多種曲面和實體的建模功能（如圖3.3）:標準幾何體：箱形、圓柱、圓球、圓環(huán)、圓錐二維幾何到三維幾何方法：擴展、旋轉、放樣、掃描對幾何體進行編輯功能

26、：圓角、倒角、偏移、曲線及曲面的修剪與分割布爾運算：合集、差集、交集多種形式的高級建模功能：印刻、投影、修補、鏡像等CAD水平的捕捉：節(jié)點、中點、圓心、交點、網格節(jié)點、格柵多種選擇方式：點選、框選、多段線、圈選圖3.3 GTS NX 多樣的幾何建模3.1.4網格生成為了方便數(shù)值分析初學者掌握程序，GTSNX中提供了自動劃分網格及映射劃分網格,圖3.4為自動劃分網格與映射劃分網格結果。(a)GTS NX自動劃分網格(b)GTS NX映射劃分網格圖3.4 GTS NX 網格劃分GTS NX還提供高品質網格劃分功能，表面和大部份位置采用六面體單元，內部應力變化不大位置采用四面體單元，提高計算效率，如圖3.5所示。I ITr單元芒宣溥單元三妥吱蘋壬 r A =C)f wl回1I !S+s1l<WI 卑于El甚于JSQ江冊