谈谈Gen和综合管廊

2年前浏览1546

综合管廊是目前市政工程的一大热点，也是近年国家大力推广的项目之一。南京公司负责江苏、安徽地区的客户，刚巧苏州、合肥分别在第一批、第二批被列为国家级管廊试点城市，当然南京也在大力建设地下管廊。由于是行业风口，南京公司在17年3月（大概是，具体记不清了）曾举办百人级别的市场宣讲和推广活动，当时取得了良好的效果和成绩。之后一年多的时间里，小成有幸参与和协助多个管廊项目，对管廊有一些了解。管廊也属于板壳类构筑物，和市政水池、水塔、工业筒仓、地沟等特种结构有很多类似的地方。值得一提的是，地铁车站结构和综合管廊在受力、边界等条件吻合度最高。因此，下面讨论的内容对于地铁车站的分析和设计基本都适用。

目前做管廊项目的单位多数是市政设计院，这些院使用midas Civil较多。很多市政工程师都会问Civil和Gen的区别，在几何建模部分二者其实没有太大的差别。Civil主要做桥，Gen做结构，桥梁有限元模型多数以杆系1D单元为主，结构模型的话很难绕开楼板和剪力墙这些构件所以较多使用2D单元。因而做结构的对板壳可能更加熟悉和了解。

针对管廊两款软件主要差别在于：（1）程序内嵌规范不同，Civil内嵌桥梁设计相关规范，Gen内嵌荷载规范、混规、给排水规范等（此处仅仅列出和管廊相关的规范）；（2）Gen 870R1（2018）新增反应位移法模块，可以快速添加管廊的地震荷载；（3）Gen在后处理模块增加了板壳设计功能，可以选择按照混规或给排水规范进行设计（包括根据裂缝宽度反算配筋），可以输出计算配筋面积、实配钢筋、裂缝宽度等结果，支持生成全中文板壳设计、裂缝计算文本计算书。

总之，Gen更适合分析计算管廊。

管廊计算模型主要有两种：

（1）二维框架模型；

（2）三维有限元空间模型。

这里也体现工程师对于管廊计算的不同理解，一部分工程师认为管廊等同于市政常见的箱涵，按照二维平面模型分析足以解决问题；一部分工程师认为将管廊笼统按照箱涵处理过于粗糙，管廊交叉口、出入口、通风井、吊装口等部位按照经典二维模型计算难以准确描述结构整体的受力特点，因此需要建立三维模型分析计算。

经典二维平面模型具有建模简单、受力明确、边界条件容易确定等优点，适用于计算管廊标准段、支管廊。早期的地铁设计也广泛采用了该模型。管廊交叉口等节点结构布置复杂、空间效应强，不规则楼板、大开洞、深梁等也比较常见，因此有必要建立三维模型。

三维分析模型的优势：模型接近实际结构；空间受力计算准确；容易发现薄弱部位等。另外，现在管廊板厚多数是“拍脑袋”确定导致板厚取值较大，通过三维分析希望得到更加安全、经济的结果。如果有限元分析始终是获得比手算结果更大的配筋，那不如不分析直接放大钢筋结果。

管廊计算的另外一大问题是是否需要计算抗震，如果需要怎么计算，参考哪本规范，哪种方法比较适用。以苏州为例，标准段、支管廊使用反应位移法；节点设计同样使用反应位移法，另外需使用土层-结构时程分析法做大震补充验算。参考规范主要有抗规和轨道交通抗震规范。轨道交通抗震规范对上述两种方法有详细讲解，这儿不再赘述。土层-结构时程分析法的实现建议使用GTS NX。

对于板壳为主的结构，Gen建模复杂程度相对有所提升。国内多数分析设计软件都是以轴线为辅助，按照构件来建模比如PK、YJK。Gen的话直接在软件界面操作，按照单元建模。小成尝试过多种建模方法，包括使用其他软件建模导入Gen。个人认为最简单直接的方法还是通过CAD建立三维辅助框架然后导入Gen，使用自动网格划分功能生成模型。然而很多工程师还是在几何建模部分就会出错。

根据之前工程师反馈的模型和问题来看，主要有两点：

（1）网格划分问题；

（2）模型约束不足问题。

网格划分问题主要表现为网格看起来比较丑（恕我直言）、板与板板与侧墙网格没有共用节点。

建模之前应该适当简化模型，比如高度为3.25m可以改为3.3m，长度为6.9m可以改为7m，这样使用自动网格划分功能容易获得规则的网格。修改尺寸前后模型计算结果几乎没有差别。对于面积小于1-2 m2的洞口，可以选择忽略。

Gen中支持自动网格和映射网格，通过映射网格也可以获得规则网格。板与板、板与墙没有共用节点主要是自动划分网格时尺寸大小设置不同或者没有勾选“考虑边界上耦合”导致的。局座大人曾说“美的东西都是好的”，不过有时为了保证传力和变形协调需要牺牲网格的美观。

之前有同学问网格中有三角形单元会不会导致传力不连续，答案是不会，即便所有的单元都是三角形单元传力仍然是连续的。有种网格划分方法叫德劳内法，生成的都是三角化网格。四边形单元和三角形单元的区别在于前者的分析更加准确，很多有限元分析书籍都有这一结论的证明，有兴趣可以找来看看。

模型约束不足主要表现为计算过程中程序一直提示警告甚至报错退出计算、计算结果明显异常。在使用只受压支承时边界问题更加明显。原因是模型在某个方向或某几个方向存在机构或者根本就没有约束。解决方法比较简单，一旦出现约束不足的警告或者报错，建议根据荷载类型和荷载方向逐个排查模型在该方向是否设置合理边界。

管廊规范中列出了需要考虑的荷载，种类其实还蛮多的，实际项目中大家多数还是考虑自重、覆土荷载、侧土压力、侧水压力、车辆荷载、地面超载、地震荷载这几种。

完成几何建模、边界设置、荷载添加之后，就可以分析模型查看结果了。Gen力学结果符合“拉力为正，压力为负”的原则。后处理用来指导结构设计，比如土反力用来验算地基承载力，变形可以查看结构是否有较大的不均匀沉降等等。前边讲过，Gen在管廊后处理最大的优势在于可以设计板壳。限于篇幅这儿不再展开讲了。

板壳设计功能演示链接：

https://www.bilibili.com/video/av12557621