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(biāo)到設(shè)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(dá)斯技術(shù)有限公司北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司目錄目錄1一、北京邁達(dá)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(jié)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(shè)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(nèi)核 2

2、22.2本構(gòu)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(dǎo)入與數(shù)據(jù)導(dǎo)出 243.1.3幾何建模253.1.4網(wǎng)格生成263.2荷載與邊界283.3后處理2944、北京邁達(dá)斯公司簡介邁達(dá)斯技術(shù)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(dá)斯技術(shù)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(jié)構(gòu)、橋梁、巖土隧道、機械 等工程領(lǐng)域的分析與設(shè)計軟件的開發(fā)、銷售、培訓(xùn)和咨詢工作，擁有獨立

3、的開發(fā)團(tuán)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(dá)斯技術(shù)有限公司始終以人才 創(chuàng)新 挑戰(zhàn)”作為經(jīng)營理念，以打造工程師美好生活、為設(shè)計行業(yè)提供新的價值、用技術(shù)創(chuàng)造社會幸福作為我們的開發(fā)理念。目前MIDAS產(chǎn)品在中國用戶已達(dá) 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(nèi)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(fù)雜模型在靜、 動（地震、爆破、移動荷載）荷載下

4、的響應(yīng)分析， 具體包括施工階段、滲流應(yīng)力耦合、邊坡、固結(jié)、動力分析等功能。目前在國內(nèi)地鐵隧道分 析設(shè)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(shè)計研究院、北京城建設(shè)計研究總院、中鐵咨詢設(shè)計研究院、 沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司、中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司、遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院、黑龍江省電力勘察設(shè)計研究院、吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院、吉林省公路勘測設(shè)計院、中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院等。GTS NX的典型高校用戶有：同濟(jì)

5、大學(xué)、河海大學(xué)、中南大學(xué)、北京交通大學(xué)、西南交 通大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)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(chǔ)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(gòu)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(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、滲流分析、固結(jié)分 析、襯砌設(shè)計、動力荷載生成器、64位求解器及GPU并行計算內(nèi)核。基本版及各模塊功能相關(guān)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(yù)應(yīng)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(hù)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(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jìn)行幾何非線性和接觸非線性分析。結(jié)構(gòu)計算簡圖A HftWi V結(jié)構(gòu)彎矩結(jié)構(gòu)軸力結(jié)構(gòu)剪力圖2.2結(jié)構(gòu)靜力計算（北京某地鐵車站計算）溫度應(yīng)力分析混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力在大型混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計中是一個復(fù)雜的問題。以基坑為例，支撐體系往往會因為溫度的變化產(chǎn)生熱脹冷縮

7、，從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jìn)行溫度變化分析，查看結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和溫度內(nèi)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(yīng)力分析中的圖2.3溫度應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)受力分析、臨近建筑風(fēng)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(yīng)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(cè)上導(dǎo)洞開挖支護(hù)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(cè)導(dǎo)洞開挖支 護(hù)完成后的地表沉 降左右側(cè)導(dǎo)洞二襯完成后的地表沉降I I w BIVUhlH 劃IMErj 4* . KW中間導(dǎo)洞開挖支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)材料、施工工況、網(wǎng)格尺寸四個步驟即可便利地建立隧道模型，并直接進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在動荷載作用下的響應(yīng)，如上部結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)果比較見圖2.7所示。t=2s :塑性應(yīng)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(jié)果非線性動力分析位移結(jié)果41 UmeGV-CCI .ip+ -J-;!-H -,JJ1E H IiWIZr-U: I7751-KJ-0L-r>-17"*. iW 務(wù) 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(jié)果比較（圖表中紅色為非線性結(jié)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(jié)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(fù)雜地形， 從而對復(fù)雜地形進(jìn)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(jié)分析GTS NX中可進(jìn)行二維、三維排水及非排水固結(jié)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(jié)邊界等，可高效地處理固結(jié)計算問題。如圖2.9為固結(jié)計算結(jié)果:地基處理計算模型計算結(jié)果:超空隙水壓工 tLEUd! lRE計算結(jié)果： 時間-空隙 水壓關(guān)系 曲線圖圖2.9固結(jié)分析結(jié)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(yīng)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(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果，并且可進(jìn)行三維天,可考慮結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)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(wǎng)、梯降、流速等結(jié)果。內(nèi)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(xué)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?xí)AIB(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(zhì)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(jié)果可直接與應(yīng)力進(jìn)行耦合，進(jìn)行滲流-應(yīng)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(yīng)力耦合分析滲流與應(yīng)力耦合計算

19、結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計GTSNX為專用的巖土與隧道分析程序， 在程序中內(nèi)嵌入公路隧道與鐵路隧道設(shè)計規(guī)范,通過GTS計算出支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，進(jìn)行配筋，并自動生成設(shè)計計算說明書，如圖2.16所示:圖2.16襯砌設(shè)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(jìn)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(nèi)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(jìn)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(gòu)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(lǐng)域里應(yīng)用的專業(yè)性進(jìn)行闡述。2.2本構(gòu)GTSNX為巖土專業(yè)分析軟件，程序涉及到相關(guān)的巖土計算模型主要有21種：彈性本構(gòu)、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(yīng)變 硬化土、軟土蠕變、關(guān)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(gòu)進(jìn)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(yīng)力、平面應(yīng)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(xí)慣及操作習(xí)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(dǎo)入與數(shù)據(jù)導(dǎo)出為了方便建模，GTS NX支持多種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及導(dǎo)出。GTS支持的導(dǎo)入格式有：STEP、IGES、BreP、ParaSolid、DXF 2D/3D（CAD ）、STL （網(wǎng)格）、midas MXT （可與 midas 結(jié)構(gòu)產(chǎn)品 midas G

25、en 與 midas Civil 互導(dǎo)），圖 3.2 為 GTS NX 導(dǎo)入 midas Gen 與 midas Civil 模型,通過上部結(jié)構(gòu)導(dǎo)入下部巖土中，可進(jìn)行整體分析，可更真實地考慮地基應(yīng)力改變對周圍環(huán)境的影響。FW 勲tr.(a) midas Gen 模型導(dǎo)入 GTSNX 中(b) midas Civil 模型導(dǎo)入 GTS NX 中圖 3.2 midas Civil 型導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描對幾何體進(jìn)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(wǎng)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(wǎng)格生成為了方便數(shù)值分析初學(xué)者掌握程序，GTSNX中提供了自動劃分網(wǎng)格及映射劃分網(wǎng)格,圖3.4為自動劃分網(wǎng)格與映射劃分網(wǎng)格結(jié)果。(a)GTS NX自動劃分網(wǎng)格(b)GTS NX映射劃分網(wǎng)格圖3.4 GTS NX 網(wǎng)格劃分GTS NX還提供高品質(zhì)網(wǎng)格劃分功能，表面和大部份位置采用六面體單元，內(nèi)部應(yīng)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