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摘要：通过分析城市道路箱涵下穿道路中力学计算中存在的弊端，本文以伊宁市一桥以北引道横穿地道工程为背景，应用MIDAS有限元軟件对其结构内力进行计算，通过数值模拟结果验算截面抗弯承载能力，经过实践证明其方法具有推广的可能性及意义。
关键字：地道工程；MIDAS；数值模拟；承载力
Abstract: through the shortcomings of computational mechanics analysis of City Road Box Culvert underpass road in, taking Yining city bridge north approach across the tunnel project as the background, using finite element software MIDAS to calculate the internal force of the structure, the simulation results of flexural bearing capacity calculation by numerical, practice proves that the method has the possibility of and the significance of promotion.
Keywords: tunnel engineering; MIDAS; numerical simulation; bearing capacity
中图分类号：TP31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
0引言
随着我国经济和城市化进程不断快速发展，如何在设计、施工中快速准确的确定结构受力状态，已是一个急需解决的问题，特别是在软弱地层中施工时。数值模拟在工程中发挥了巨大的作用，但是，在实际施工过程中存在诸多因素的干扰，其结果必然与实际情况不相符。如何利用数值模拟的计算结果，准确掌握结构内力变化情况、确定危险截面，已是现代施工技术的核心。
本文结合伊宁市一桥以北桥台引道下穿地道工程为研究背景，在地道施工中应用MIDAS有限元软件模拟计算结构内力，得出在基本组合、短期组合、长期组合下的正负弯矩值以及剪力值，并取基本组合下数值模拟得到正负弯矩值进行截面抗弯能力验算，其结果满足规范要求。提出此方法，目的就是为从事设计、施工的人员提出简便可行的方法，了解内力变化情况便于指导施工。
1工程概况
伊犁河一桥引道下穿地道工程位于一桥北引道路面以下，地道连接北引道一侧公园路及另一侧地块。地道长30m，采用闭合框架，结构高度7.5m，横断面布置为：0.8m（侧墙）+1.0m（检修道）+7.0m（车行道）+1.0m（检修道）+0.8m（侧墙）=10.6m，其中车行道净空为4.5m。此工程位于伊犁河谷右岸，属河漫滩地貌单元。其自然地势开阔，地形平缓，由西向东倾斜，地表平均坡度约1.8%，地面高程在605.16~606.45m。
2数值模拟
2.1计算参数的选取
2.1.1混凝土
C40 防水混凝土：弹性模量：3.25×104 MPa；剪切模量：1.3×104 MPa ；轴心抗压强度设计值：fcd=18.4 MPa；轴心抗拉强度设计值：ftd=1.65 MPa；泊松比：0.2；线膨胀系数: 1.0×10-5/°C；容重：γ=25.0 kN/m3。
2.1.2普通钢筋
HPB300钢筋：抗拉设计强度fsd=250MPa，标准强度fsk=300MPa，弹性模量E=2.1×105MPa；HRB400钢筋：抗拉设计强度fsd=330MPa，标准强度fsk=400MPa，弹性模量E=2.0×105MPa。
2.2计算荷载取值
环境类别：II类；结构设计安全等级：一级；结构自重：钢筋混凝土26 kN/m3；沥青混凝土24 kN/m3；钢材78.5kN/m3；填土20kN/m3。荷载取值如表1.1所示：
表1荷载取值表
2.2.1荷载组合
按照承载能力极限状态设计时，荷载组合及土侧压力荷载安全系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）进行组合为：Sud=1.2SGd+1.4SQd。
按照正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：
1）作用短期效应组合：Ssd=SGk+0.7SQk。
2）作用长期效应组合：Sld=SGk+0.4SQk。
2.2.2结构型式
（1）地道结构形式
地道采用闭合框架结构形式，闭合框架结构顶板厚度0.8m、侧墙厚度0.8m、底板厚度1.0m～1.243m。闭合框架结构上梗腋设50×150cm的倒角，侧墙处下梗腋设30×30cm的倒角；地道结构高度为7.5～7.743m，地道宽10.6m，地道最不利净空高度不小于4.5m；车行道设1.5%横坡。
2.3数值模拟计算
采用大型有限元分析软件Midas Civil 2012 (V8.0.5 Release NO.1)进行数值模拟。
2.3.1计算模型
取结构纵向1延米长，作为平面刚架结构进行计算，以控制地道框架的配筋。其中，施加荷载按表1荷载取值；同时依据地质勘察报告及m法，计算结构底土层刚度，施加边界条件。根据地勘，地道在圆砾层上，取m=30000kN/m4 ，模型底板单元划分为1.0m*1.06m，根据此计算基底水平刚度为166950kN/m，竖直刚度为181140.75 kN/m。
共划分67个单元，66个节点。有限元模型如下图。
图 3 1有限元模型图
2.3.2数值结构内力图
（1）基本组合结构内力图
图 3 4结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 5结构剪力图(单位: kN)
（2）短期组合结构内力图
图 3 6结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 7结构剪力图(单位: kN)
（3）长期组合结构内力图
图 3 8结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 9结构剪力图(单位: kN)
（4）结构内力汇总
表2 结构内力
对基本组合下正负弯矩进行截面验算，计算得Mu=2.003×103（KN·M）,取ro=1.1，负弯矩下ro×Md=1.1×727.4=800.4（KN·M）,正弯矩下ro×Md=1.1×690.6=759.66（KN·M），由规范可知当Mu＞ro×Md时截面抗弯承载能力满足要求。
3结论
应用有限元软件MIDAS对结构内力、弯矩进行数值模拟计算，其计算结果可用于验算截面受力情况，实践证明具有可行性。
参考文献：
[1] MIDAS-GTS理论分析，北京：迈达斯公司．
[2]JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].
[3]交通部公路司.新理念公路设计指南[M].北京：人民交通出版社，2005
[4] 龚晓南.复合地基承载力与沉降,刊岩土力学与工程论文集.北京:中国铁道出版社,1993.
[5]高贺.城市道路横断面布置形式的影响因素分析[J].黑龙江省交通科技，2007（1）.
[6]王宝君.城市道路横断面规划设计研究[J].城市规划刊，2001（2）.
[7]曾伟，王志华等.城市道路横断面设计新理念[J].城市道桥与防洪，2008（5）.
[8]张殿业.道路交通安全管理评价体系[M].人民交通出版社，2005.01
[9]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）
关键字：地道工程；MIDAS；数值模拟；承载力
Abstract: through the shortcomings of computational mechanics analysis of City Road Box Culvert underpass road in, taking Yining city bridge north approach across the tunnel project as the background, using finite element software MIDAS to calculate the internal force of the structure, the simulation results of flexural bearing capacity calculation by numerical, practice proves that the method has the possibility of and the significance of promotion.
Keywords: tunnel engineering; MIDAS; numerical simulation; bearing capacity
中图分类号：TP31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
0引言
随着我国经济和城市化进程不断快速发展，如何在设计、施工中快速准确的确定结构受力状态，已是一个急需解决的问题，特别是在软弱地层中施工时。数值模拟在工程中发挥了巨大的作用，但是，在实际施工过程中存在诸多因素的干扰，其结果必然与实际情况不相符。如何利用数值模拟的计算结果，准确掌握结构内力变化情况、确定危险截面，已是现代施工技术的核心。
本文结合伊宁市一桥以北桥台引道下穿地道工程为研究背景，在地道施工中应用MIDAS有限元软件模拟计算结构内力，得出在基本组合、短期组合、长期组合下的正负弯矩值以及剪力值，并取基本组合下数值模拟得到正负弯矩值进行截面抗弯能力验算，其结果满足规范要求。提出此方法，目的就是为从事设计、施工的人员提出简便可行的方法，了解内力变化情况便于指导施工。
1工程概况
伊犁河一桥引道下穿地道工程位于一桥北引道路面以下，地道连接北引道一侧公园路及另一侧地块。地道长30m，采用闭合框架，结构高度7.5m，横断面布置为：0.8m（侧墙）+1.0m（检修道）+7.0m（车行道）+1.0m（检修道）+0.8m（侧墙）=10.6m，其中车行道净空为4.5m。此工程位于伊犁河谷右岸，属河漫滩地貌单元。其自然地势开阔，地形平缓，由西向东倾斜，地表平均坡度约1.8%，地面高程在605.16~606.45m。
2数值模拟
2.1计算参数的选取
2.1.1混凝土
C40 防水混凝土：弹性模量：3.25×104 MPa；剪切模量：1.3×104 MPa ；轴心抗压强度设计值：fcd=18.4 MPa；轴心抗拉强度设计值：ftd=1.65 MPa；泊松比：0.2；线膨胀系数: 1.0×10-5/°C；容重：γ=25.0 kN/m3。
2.1.2普通钢筋
HPB300钢筋：抗拉设计强度fsd=250MPa，标准强度fsk=300MPa，弹性模量E=2.1×105MPa；HRB400钢筋：抗拉设计强度fsd=330MPa，标准强度fsk=400MPa，弹性模量E=2.0×105MPa。
2.2计算荷载取值
环境类别：II类；结构设计安全等级：一级；结构自重：钢筋混凝土26 kN/m3；沥青混凝土24 kN/m3；钢材78.5kN/m3；填土20kN/m3。荷载取值如表1.1所示：
表1荷载取值表
2.2.1荷载组合
按照承载能力极限状态设计时，荷载组合及土侧压力荷载安全系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）进行组合为：Sud=1.2SGd+1.4SQd。
按照正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：
1）作用短期效应组合：Ssd=SGk+0.7SQk。
2）作用长期效应组合：Sld=SGk+0.4SQk。
2.2.2结构型式
（1）地道结构形式
地道采用闭合框架结构形式，闭合框架结构顶板厚度0.8m、侧墙厚度0.8m、底板厚度1.0m～1.243m。闭合框架结构上梗腋设50×150cm的倒角，侧墙处下梗腋设30×30cm的倒角；地道结构高度为7.5～7.743m，地道宽10.6m，地道最不利净空高度不小于4.5m；车行道设1.5%横坡。
2.3数值模拟计算
采用大型有限元分析软件Midas Civil 2012 (V8.0.5 Release NO.1)进行数值模拟。
2.3.1计算模型
取结构纵向1延米长，作为平面刚架结构进行计算，以控制地道框架的配筋。其中，施加荷载按表1荷载取值；同时依据地质勘察报告及m法，计算结构底土层刚度，施加边界条件。根据地勘，地道在圆砾层上，取m=30000kN/m4 ，模型底板单元划分为1.0m*1.06m，根据此计算基底水平刚度为166950kN/m，竖直刚度为181140.75 kN/m。
共划分67个单元，66个节点。有限元模型如下图。
图 3 1有限元模型图
2.3.2数值结构内力图
（1）基本组合结构内力图
图 3 4结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 5结构剪力图(单位: kN)
（2）短期组合结构内力图
图 3 6结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 7结构剪力图(单位: kN)
（3）长期组合结构内力图
图 3 8结构弯矩图 (单位: kN-m)
图 3 9结构剪力图(单位: kN)
（4）结构内力汇总
表2 结构内力
对基本组合下正负弯矩进行截面验算，计算得Mu=2.003×103（KN·M）,取ro=1.1，负弯矩下ro×Md=1.1×727.4=800.4（KN·M）,正弯矩下ro×Md=1.1×690.6=759.66（KN·M），由规范可知当Mu＞ro×Md时截面抗弯承载能力满足要求。
3结论
应用有限元软件MIDAS对结构内力、弯矩进行数值模拟计算，其计算结果可用于验算截面受力情况，实践证明具有可行性。
参考文献：
[1] MIDAS-GTS理论分析，北京：迈达斯公司．
[2]JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].
[3]交通部公路司.新理念公路设计指南[M].北京：人民交通出版社，2005
[4] 龚晓南.复合地基承载力与沉降,刊岩土力学与工程论文集.北京:中国铁道出版社,1993.
[5]高贺.城市道路横断面布置形式的影响因素分析[J].黑龙江省交通科技，2007（1）.
[6]王宝君.城市道路横断面规划设计研究[J].城市规划刊，2001（2）.
[7]曾伟，王志华等.城市道路横断面设计新理念[J].城市道桥与防洪，2008（5）.
[8]张殿业.道路交通安全管理评价体系[M].人民交通出版社，2005.01
[9]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）