浅谈midas FEA在双孔涵洞结构计算中的应用
迈达斯midas-FEA介绍
模型网格图
顶推和预应力共同作用下顶面 横桥向应力分布
顶推作用下顶面横桥向应力分布
预应力布置图
/fea
顶推和预应力共同作用下侧面 竖向应力分布
顶推作用下侧面横桥向应力分布
闵浦二桥索塔锚固段细部分析
LF＝1.95p
裂缝发展步骤
LF＝2.25p
LF＝2.85p
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
500 106.46
0
桥교台대부外외侧측
3388.42 2281.49
257.17
桥교대台부内내측侧
主주탑塔부外외측 侧 主주탑 塔부内내侧측
桥台支座 外侧(%) 内侧(%)
29.3
70.7
主塔支座 外侧(%) 内侧(%)
29.3
70.7
内外侧支座反力比率
0.8
0.7
외측복부
내측복부
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
거리(m)
内外侧腹板承担的剪力比率
北京迈达斯技术有限公司
2. 特征值分析(自振周期、线性屈曲)
采用实体单元、板单元做特征值分析的必要性： • 可计算钢箱梁、钢桁桥的局部失稳 • 可查看详细的扭转模态
/fea
北京迈达斯技术有限公司
1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例
6. 全桥仿真分析
矮塔斜拉桥的全桥仿真模型
<法向应力云图>
/fea
<钢束应力云图>
midas FEA国内工程应用
实际工程应用介绍北京迈达斯技术有限公司Copyright ⓒ since 1989 MIDAS Information Technology Co., Ltd. All rights reserved.拱脚细部分析镇江京杭运河特大桥在丹阳市黄墟镇跨越京杭大运河， 主桥平面位于直线上，线间距50 。
主桥采用 5.0m （90+180+90）m连续梁拱结构形式。
主梁为预应力 混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边 支点处梁高4.5m，中支点处梁高10.0m，梁高按圆曲 线变化。
拱肋为钢管混凝土结构，计算跨度L=180.0m， 设计矢高f=36.0m，矢跨比f／L=1：5，拱轴线采用二 次抛物线，设计拱轴线方程：Y=-1/225X2+0.8X。
节点数：27161 单元数：111188 单元类型：四面体，钢筋单元， 刚性连接 钢筋应力图 边腹板＋拱座主 拉应力P1图大跨桥梁零号块细部分析该模型主要结构由混凝土和预应力钢筋（54根其中下部两个钢筋锚固在 两端，其他钢筋不在零号块内锚固）组成，钢筋采用植入式钢筋建模， 主要荷载包括结构自重和两端荷载。
节点数：48293 单元数：134631 单元类型：四面体，钢筋单元，刚性连接主拉应力结果云图预应力钢束应力图竖向位移云图大跨斜拉桥主梁分析某截段网格图采用主跨816m双塔七跨连续不对称混合梁斜拉桥方案，平行双 索面，H型塔。
以成桥后以南边跨预应力砼主梁为研究对象，共 有主塔、无索区、辅助墩、跨中、过渡墩处共六类典型截面。
砼结构选用 节点实体单元，斜拉索选用桁架单元，边界条件与 砼结构选用8节点实体单元，斜拉索选用桁架单元，边界条件与 实桥相符。
由于荷载和结构关于横桥向跨中对称，计算模型取 半结构。
节点数：101894 单元数：82839 单元类型：8节点六面体，桁架 ZY平面内剪应力剖断面图 主梁位移图牛腿嵌入盖梁结构细部分析二广高速公路第十四合同段内黄田绥江大桥起讫里程为 K51+847.36~K52+714.54，桥梁全长867.18米。
midas FEA 空间结构节点分析案例
midas FEA 空间结构节点分析案例——弹性计算1.提取计算软件杆件信息，例如下图的带局部坐标系的杆件模型
2.在CAD中生成杆件截面,节点中心移动至原点，并输出为IGES格式
3.导入FEA，选择高级几何，IGES格式
4.生成实体——几何-——生成几何体——扩展
5.布尔运算——差集和并集
6.分析——材料定义，创建材料，一般情况选用数据库
7.网格划分——自动网格划分——自动实体网格（可选择六面体主导）
8.划分过程需选择材料特性
9.定义截面约束——分析-——边界条件
10.定义截面加载点——网格——节点——创建新节点
在CAD文件量取节点坐标值，输入FEA中
11.面节点（node）耦合至加载点——网格——单元——创建刚性连接单元
12.建立杆端局部坐标系——分析——内力——坐标系——三点坐标，在CAD文件量取局部坐标系对应的坐标值，注意：a.CAD文件量取时，应以杆件局部坐标系;b.定义杆件对应坐标名称，方便多种组合重复加载
13.输入荷载值——分析——内力或力矩——选择局部坐标系输入
注意：a.输入一项后，可在表格中输;b.并注意输入单位;c.表格输入时注意节点号和局部坐标系对应。
14.加载点节点编号显示方法——树形菜单——连接单元——显示节点号
15.计算——分析——分析工况——添加——输入荷载组名称——左侧相应荷载拖入右侧荷载列表。
注意：a.同一组合的荷载放入一个荷载组
16.计算——分析——求解
17.验算结果查看——树形菜单。
midasFEA适用工程及高端分析指南
midasFEA适用工程及高端分析指南midaFEACaeStudySerie施工阶段1.概要矮塔斜拉桥详细分析通过矮塔斜拉桥的实体单元模型分析，查看支座反力的横向分布情况、腹板的剪力及加劲梁沿纵向的轴力分布情况。
矮塔斜拉桥的受力特点为：所有的荷载均通过斜拉索传递到主塔上。
故主塔内部将出现应力集中现象，加劲梁的支座部分、斜拉索与加劲梁的连接部分均会出现应力集中现象。
根据上述受力特点，对结构进行实体单元详细分析，查看如下详细分析结果。
支座反力的横向分布情况腹板的剪应力分布情况腹板以及顶板的轴力传递情况 2.桥梁信息2.1桥梁几何信息(1)本例题桥梁基本信息如下。
主梁类型：桥梁跨径：桥梁宽度：斜交角度：三跨连续PSC箱梁L=85.0+155.0+85.0=325.0mB=23.900m90(直桥)[施工过程]3.模型对建模部分进行简要说明。
3.1分析模型(1)本例题仅对主梁合拢前、后阶段的结构进行施工阶段分析。
共分为三个施工阶段，合拢前阶段、边跨合拢阶段、中跨跨中合拢阶段。
(2)主梁截面为单箱三室截面，桥面宽度23.9m，主塔处以及边跨桥台处主梁横向布置四个支座（如下图所示）。
主塔处内侧两支座为固定支座，边跨桥台处内侧两支座为纵向滑动支座，其余均为双向滑动支座。
合拢前阶段边跨合拢阶段中跨跨中合拢阶段[施工阶段][桥梁横、纵断面图](2)利用midaFEA程序中的几何建模功能以及自动网格划分功能建立模型。
为了减少整体结构的分析时间，只建立全桥1/4的模型。
混凝土部分2.2施工方法本例题桥梁的施工过程如下图所示，边跨两端采用FSM（满堂支架法）施工方法，其余主梁段采用FCM（悬臂法）施工方法。
本例题简化了详细的施工过程，仅对主梁合拢段的合拢前、后阶段进行建模分析。
采用四面体单元生成实体网格，斜拉索采用桁架单元，预应力钢束采用植入式钢筋模拟。
1midaFEACaeStudySerie矮塔斜拉桥详细分析网格线显示透明显示[钢束特性值]3.3边界条件及荷载虚拟移动显示[生成网格]模型边界条件如下图所示。
MIDAS在隧道施工中的应用
MIDAS在隧道施工中的应用为了验证二次加强支护方法在隧道围岩级别较差段的支护效果，采用有限元软件建立二维数值模型，对初次支护与二次加强支护后隧道的竖向变形、支护结构中的轴力和弯矩进行对比分析。
结果表明：简单的添加初次支护，隧道围岩的变形、支护结构中的轴力和弯矩较大，这支护结构安全系数不满足规范要求；二次加强支护后隧道围岩变形得到很好控制，支护结构中的轴力和弯矩大幅度减小，拱顶位移减小了7mm，仰拱位移减小7mm，支护结构中最大轴力减小了0.8MPa，最大弯矩减小了6kN·m，且分布趋于均匀，支护结构安全系数均满足规范要求。
证明了二次加强支护方法的可行性以及必要性，对隧道施工起到了一定的指导意义。
标签：隧道；MIDAS；数值模拟；二次加强支护doi：10.19311/ki.16723198.2017.02.0981 引言随着我国的经济高速发展，公路建设在快速的更新和发展，随之而来的隧道工程也在发生日新月异的变化，各种各样的隧道也出现在我们的面前。
由于隧道工程本身具有复杂性、不确定性以及高风险性等多重特点，使得隧道工程的发展面临很大挑战。
大量研究成果和施工实例表明，开挖必然会引起围岩应力重新分布，导致围岩损伤破坏，影响隧道稳定性。
特别是隧道洞口段，一般埋深较浅而且往往有偏压，岩体的承载能力极地，稳定性较差，如果选择的开挖、支护方法不合理，局部围岩的坍塌是不可避免的且围岩的破坏还可能从局部影响到整体隧道的稳定性。
文献均采用数值模拟方法模拟隧道开挖与支护，模拟结果说明支护对隧道的稳定性很重要，给施工提供一定的参考价值。
本文采用MIDAS大型有限元软件建立隧道数值模型，模拟研究添加初期支护与二次加强支护后隧道稳定性对比研究。
结果表明，强化支护方法的重要性和二次加强支护的合理、必要性。
该方法可以很好准确的预测围岩变化规律，反映真实的围岩变化特性，有利于隧道的稳定性。
2 工程背景及MIDAS建模2.1 工程概况某隧道工程DK171+072～DK171+128段由于受断层影响，岩体节理裂隙发育，岩石风化严重，工程地质条件较差。
细部仿真——midas FEA 建筑结构方向应用
土木专业仿真分析软件Copyright ⓒ since 1989 MIDAS Information Technology Co., Ltd. All rights reserved.北京迈达斯技术有限公司建筑结构工程实例主体以“山丘”作为表现。
几乎整个博物馆埋入山丘中，并在其表面设有洞穴似的采光井。
山丘内部呈空洞型，通过壳体结构形成大空间。
山丘顶部观光标志塔的形象，与山丘表面的洞穴刚好相反：造型独特带来强烈的视觉冲击力，似向湿地斜向挑出的圆盘。
站在标志塔40米的高度上，能够轻易俯瞰西溪湿地的全景。
剧场的钢结构屋顶部分，六根水平撑杆交汇于梁的腹板部分，因为节点比较复杂，内力分析不清楚，通过细部的仿真分析，看看梁腹板的应力状况，优化了节点，节约了钢材。
此节点是凤凰卫视主楼首层顶板劲性砼结构连接节点，此节点连接了上部劲性砼钢管柱和下部V型劲性砼钢管柱，同时也是主楼外部钢结构与主体结构的连接节点。
此节点结构复杂、按大震荷载考虑、保证外挂钢结构在大震时的支座安全。
变高度上承式连续桁架桥，钢桁架钢管及钢板采用Q345qD钢种，主桁架高度按二次曲线形式变化，中支点处中心高度为3.368米，由于桁架钢管与钢板的交互处应力异常复杂，建立空间实体模型，控制局部应力。
大庆市奥林匹克公园－体育馆,建筑面积为3万平方米,钢结构屋盖为钢结构管桁架，主拱为3跨连续结构，最大单跨74米，总跨度97米，长向240米。
屋盖结构支座采用成品球铰支座。
由于支座反力大，为了保证结构的安全性，设计过程中对细部节点进行仿真计算，结果基本满足要求。
中国建设银行股份有限公司宁波市分行新综合业务楼采用框架-抗震墙结构。
支撑悬挑构件的竖向构件采用型钢混凝土圆柱，柱直径1800，柱内部钢骨为不对称十字形钢。
经局部有限元分析认为悬挑结构根部圆柱在分叉节点处的构造是安全可靠的。
高炉结构,炉顶、炉缸部位设有风口、铁口等开洞,材料采用Q345钢材，炉料侧向压力，悬料压力，正常气压，炉缸液态轧铁压力，爆炸压力分段施加。
midas_FEA在桥梁工程中的应用
Midas FEA在桥梁工程中的应用资料制作日期：2008.10.13对应软件版本：FEA 1.0 随着桥梁工程技术的发展，对于有限元分析得要求也越来越高端，诸如：遇到“宽桥、异型桥、锚固端等复杂结构的受力状态”、“桥有裂缝了还能不能用，若要加固需要怎样加固？”等问题的时候，现有的三维杆系有限元软件远远不能达到计算需求。
midas FEA是“目前唯一全部中文化的土木专用非线性及细部分析软件”，它的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件midas FX+的核心技术，同时融入了MID AS强大的线性、非线性分析内核，并与荷兰TNO DIANA公司进行了技术合作，是一款专门适用于土木领域的高端非线性分析和细部分析软件。
下面针对midas FEA在桥梁工程中的应用进行说明，并通过预应力钢筋混凝土箱梁桥例题详细介绍midas FEA预应力钢筋混凝土裂缝模拟：1. Midas FEA在桥梁工程中的应用(1)详细分析锚固区域的设计弯桥的翘曲应力验算受力复杂区域验算多支座反力的准确计算横向分析全桥仿真（2）特征值分析(自振周期、线性屈曲)局部失稳详细的扭转模态（3）时程分析(反应谱分析、时程分析)整体式桥梁抗震时的整体联动效果（4）材料非线性/几何非线性分析（5）界面单元计算钢混叠合梁的剪力钉数量模拟混凝土的离散裂缝(弯曲裂缝)、膨胀裂缝（剪切裂缝计算钢筋和混凝土之间的粘结滑移计算钢板加固方案中钢板与混凝土的粘接特性模拟混凝土与混凝土之间冷缝（6）钢筋单元桁架＋混凝土单元：完全耦合无相对位移桁架+界面+混凝土单元：完全耦合有相对位移钢筋单元+母单元（嵌入式钢筋）：不必耦合由实体节点应变映射到钢筋单元节点上，可考虑摩擦损失、钢筋回缩损失、弹性变形损失、收缩和徐变损失。
嵌入式钢筋（7）裂缝模型钢筋混凝土结构的裂缝分析(极限承载力计算)结构的详细分析钢束锚固区在使用状态下的安全性验算模拟螺旋筋和箍筋的约束作用下或钢管等约束作用下混凝土强度的提高（8）接触分析钢梁的螺栓、铆钉连接拱桥吊杆与销拴的接触主缆与鞍座的接触（9）疲劳分析钢桥的疲劳分析（10）热传递分析(火灾分析等)浇注式沥青铺装（11）水化热分析高温沥青浇注分析地铁火灾分析大体积混凝土裂缝分析（12）CFD分析桥梁断面快速优化计算三分力系数桥梁抗风稳定性生命周期损伤度2. Midas FEA 钢筋混凝土结构裂缝例题Midas FEA 作为一种非线性及细部分析软件，能够准确方便的模拟桥梁工程中经常发生一种力学现象——混凝土开裂。
MIDAS-FEA-教程有实例
土木工程
用于模拟建筑结构、 桥梁、隧道等复杂结 构的动力学行为和响
应。
机械工程
用于模拟各种机械设 备的动力学行为和响 应，如旋转机械、液
压系统等。
MIDAS-FEA的基本原理
有限元方法
将结构划分为有限个离散的元素，每个元素采用数学 模型描述其运动和相互作用。
动力学分析
通过建立系统的动力学方程，模拟结构的动态行为和 响应。
MIDAS-FEA通过将结构划分为有限个离散的元素，并使用数学模型描述这些元素的相互作用和 运动，来模拟结构的动态行为。它可以处理各种复杂的结构形式，包括连续体、梁、板、壳等。
MIDAS-FEA的应用领域
航空航天
用于模拟飞行器、卫 星、火箭等复杂结构 的动力学行为和响应。
汽车
用于模拟汽车车身、 底盘、发动机等部件 的动力学行为和响应。
04
实例分析 - 薄板弯曲分析
实例分析 - 薄板弯曲分析
• 请输入您的内容
实例分析 - 复杂结构动力学
05
分析
实例分析 - 复杂结构动力学分析
• 请输入您的内容
06
结论与展望
MIDAS-FEΒιβλιοθήκη 的优势与局限性01高效性
MIDAS-FEA能够快速准确地模拟复杂结构的动力 学行为，适用于大规模工程问题。
对模型简化假设的依赖
MIDAS-FEA需要对结构进行简化假设，可能导致结果的误差。
需要专业知识和经验
使用MIDAS-FEA需要具备丰富的专业知识和经验，才能获得准确 的结果。
MIDAS-FEA的未来发展方向
优化算法
进一步改进MIDAS-FEA的算法，提高计算 效率和精度。
多物理场耦合
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浅谈midas FEA在双孔涵洞结构计算中的应用
发表时间：2016-07-15T16:19:19.160Z 来源：《基层建设》2016年8期作者：黄德胜
[导读] 文中通过工程实例详细介绍了midas FEA结构计算软件对青年运河大边塘排洪涵洞的设计过程，对类似工程有很强的参考性。
摘要：为保证排洪涵洞处堤防安全，采用midas FEA结构计算软件对排洪涵洞进行建模计算，分析结构内力与变形，结合现场施工及后期运行管理经验，保证不影响涵洞功能与安全的前提下，进一步优化结构设计，确保涵洞经济、安全、适用。
文中通过工程实例详细介绍了midas FEA结构计算软件对青年运河大边塘排洪涵洞的设计过程，对类似工程有很强的参考性。
关键词：青年运河；灌区；midas；FEA；排洪涵洞
1 引言
湛江市雷州青年运河灌区原设计标准低、配套设施不完善、管理手段落后、工程维护资金严重不足等，经过近50年的运行，工程设施老化损坏、渠道渗漏严重、险情不断，工程效益逐年衰减，1997年起该灌区被列为实施续建配套的全国重点大型灌区之一。
2011年1月湛江市雷州青年运河灌区续建配套与节水改造工程（运河部分）开工建设至今。
东运河1＃（大边塘）排洪涵为拆除原址重建建筑物，位于东运河桩号4+434，于2014年1月-2月施工，尚未完工，2014年5月20日发生决堤损毁。
2014年6月17日至6月27日期间，广东省水利厅对湛江市雷州青年运河灌区续建配套与节水改造工程进行了稽查，2014年7月24日，广东省水利厅发文《广东省水利厅关于湛江市雷州青年运河灌区续建配套与节水改造工程稽查整改意见的通知》（粤水农水【2014】26号），文中提出：对全部渠下涵进行补充渗流计算和涵洞洞径相关计算，全面复核其安全性，进而完善方案。
2 工程概况
湛江市雷州青年运河灌区是自鹤地水库引水灌溉的大（2）型灌区，灌区位于广东省西南部的雷州半岛北部，北以九洲江南岸为界，南至南渡河北岸，东北至化州鉴江西岸及吴川塘缀河之西，西南至北部湾，东南濒临广州湾。
灌区原设计可灌溉面积200万亩，现状实际灌溉面积100.1万亩，工程同时承担廉江市区、遂溪县城、湛江市赤坎区、麻章区及霞山区生活及工业用水供水任务。
灌区涵盖湛江市及茂名市所属的9个县、市、区，分别为：廉江市、遂溪县、雷州市、吴川市、湛江市区的麻章区、赤坎区、坡头区、霞山区和茂名市辖的化州市。
该灌区建成于1960年，灌区工程由运河部分（包括主河、四联河、东海河、西海河、东运河、西运河）、灌溉流量1m3/s及以上的干、支渠道和灌溉流量1m3/s以下支、斗、农、毛渠等工程组成。
六条运河共长277.659km，恢复灌溉面积大于1万亩的干、支渠54条，总长700.54km。
3 工程地质条件
根据初步设计阶段勘察成果，参考临近位置钻孔资料，东运河大边塘排洪涵洞处分布地层主要有第四系人工填土层（Q4s）、第四系冲积层（Q4al）、第四系中更新统北海组洪冲积层（Q2pal）、第四系湛江组河湖沉积层（Q1mc）组成。
各土层力学指标详见表1~2。
4 设计基本情况
原排洪涵洞位于雷州青年运河灌区的东运河中上游，桩号为4+434。
原排洪涵洞与东运河相交，近似垂直穿过东运河底部。
原排洪涵洞的设计规模为2（孔）×2.0m（净宽）×1.9m（净高），为浆砌石侧墙，钢筋砼盖板涵，涵洞进水口高程与河底高程基本持平，功能是排洪涝。
原排洪涵洞的集水面积为12.0km2，属于小范围的平原区，田面高程在23.7m～29.4m（珠基，以下同），河长5.0km，比降1.8‰。
本次重建排洪涵洞的设计规模，原则上应不小于原来的过水面积，经计算复核该涵洞的设计规模为2（孔）×2.5m（净宽）×2.0m（净高），为钢筋混凝土箱涵，箱涵进水口高程19.58m，与河底高程基本持平，混凝土等级为C30。
5 管道结构复核
该涵洞计算荷载主要包括：垂直土压力、侧向土压力、内水压力、外水压力及汽车荷载。
计算工况主要包括：施工工况、完建工况及运行工况。
本次计算只考虑最不利工况，即完建工况，计算断面见图1。
计算分析如下：
（1）位移分析
（2）应变分析
根据上图分析可知，涵洞位移为0.2mm，最大应变为4.9×10-5，混凝土最大拉应力为2.06N/mm2，大于混凝土强度设计值1.43N/mm2，经计算复核，受力筋采用φ25@200。
6 结语
midas FEA这一辅助工具对结构计算进一步进行了复核，确保设计、施工及后期运行安全。
至今为止，该排洪涵洞已施工完成并顺利通过验收，事实证明midas FEA进一步复核双孔涵洞结构合理。
参考文献：
[1]《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）[S]；北京，中国水利水电出版社，2009.
[2]《水工建筑物荷载设计规程》（DL5077-1997）[S]；北京，中华人民共和国电力工业部，1998.
[3]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[S]；北京，人民交通出版社，2015.
作者简介：
黄德胜出生年月：1979年12月性别：男学历：本科职称：工程师，研究方向：水利工程。