缩短路基桩板结构数值模拟的设计周期

1、成都地铁路基桩板结构QC小组PAGE 2014年度优秀质量管理小组申报材料课题名称：缩短路基桩板结构数值模拟的设计周期小组名称：成都地铁路基桩板结构QC小组活动时间：2011年9月2013年6月中铁第五勘察设计院集团有限公司二一四年五月目 录 TOC o 1-1 h z u HYPERLINK l _Toc382838729 一、工程概况 PAGEREF _Toc382838729 h 1 HYPERLINK l _Toc382838730 二、小组概况 PAGEREF _Toc382838730 h 2 HYPERLINK l _Toc382838731 三、选题理由 PAGEREF _To

2、c382838731 h 3 HYPERLINK l _Toc382838732 四、现状调查 PAGEREF _Toc382838732 h 4 HYPERLINK l _Toc382838733 五、设定目标 PAGEREF _Toc382838733 h 7 HYPERLINK l _Toc382838734 六、原因分析 PAGEREF _Toc382838734 h 8 HYPERLINK l _Toc382838735 七、要因确定 PAGEREF _Toc382838735 h 9 HYPERLINK l _Toc382838736 八、制定对策 PAGEREF _Toc3828

3、38736 h 22 HYPERLINK l _Toc382838737 九、实施对策 PAGEREF _Toc382838737 h 23 HYPERLINK l _Toc382838738 十、效果检查 PAGEREF _Toc382838738 h 36 HYPERLINK l _Toc382838739 十一、巩固措施 PAGEREF _Toc382838739 h 39 HYPERLINK l _Toc382838740 十二、总结及今后打算 PAGEREF _Toc382838740 h 40 PAGE 23一、工程概况本工程位于成都地铁2号线一期工程正线终点与二期工程林家大堰站间

4、路基区间部分（图1）。路基段右正线里程YDK44+350.00YDK45+212.60，线路长862.60m；左正线里程ZDK44+400.00ZDK45+207.606，线路长807.606m。图1 成都地铁2号线二期工程经干院站林家大堰站区间地理位置示意图如图2右正线YDK44+350+696、左正线ZDK44+400+696与既有一期工程出入段线并行，右正线YDK44+696+770上跨既有一期工程出入段线。一期工程终点段为出入段线，由独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结构及隧道结构等不同类型结构构成，且地层较差，导致二期工程起始区间段路基工程设计条件复杂困难。为实现2号线二期工

5、程软弱段路基在与既有结构物良好衔接前提下的纵横向稳定性、刚度均匀性、耐久性和减振性，控制路基的不均匀沉降、工后沉降等问题，采用桩板结构路基是比较可靠的选择。为满足现场施工图纸需求，在保证桩板结构路基设计质量的前提下提高出图速度显得尤为重要。图2 成都地铁2号线二期东延线起始区间平面示意图二、小组概况1. 小组简介成都地铁路基桩板结构QC小组成立于2011年4月，主要为提高成都地铁2号线二期东延线困难条件下与既有结构物衔接的桩板结构路基设计效率，而进行的小组活动。小组自成立以后，小组各成员在QC小组活动中，能相互启发、深入思考、共同提高；该小组的成立和活动，对激发各小组成员的工作积极性、创造性，

6、提高技术水平，控制工程质量起到了重要作用。QC小组成员情况见表1。表1 QC小组成员情况表小组名称成都地铁路基桩板结构QC小组注册时间2011年4月QC小组编号QC-2013-34小组人数12人活动次数12次课题编号KT-2013-34QC教育人均60小时小组类型攻关型活动日期2011年9月2013年6月成果日期2013年7月活动出勤率90序号姓名年龄性别组内职务技术职称文化程度小组分工1时洪斌33男组长高级工程师博士研究生方案策划2张成钢53男技术顾问教授级高工大学本科技术指导3邓文庆48女技术顾问高级工程师大学本科技术指导4黄微30女组员工程师大学本科方案实施5刘婷33女组员工程师大学本科

7、方案实施6张贵财31男组员工程师大学本科方案实施7唐沛43男技术顾问教授级高工大学本科技术指导8丁新红47男技术顾问高级工程师大学本科技术指导9莫万远35男组员高级工程师大学本科协作实施10冷长明33男组员工程师大学本科协作实施11董艳辉35女组员高级工程师硕士研究生协作实施12张文博27男组员工程师大学本科协作实施制表：时洪斌 日期：2011年4月5日2. 活动时间（2011.92013.6）活动项目活动时间（2011.92013.6）2011年2012年2013年9月10月11月12月1月2月3-4月5-6月7-8月9-10月11-12月1-2月3-4月5-6月P选择课题现状调查设定目标原

8、因分析要因确认制定对策D对策实施C效果检查A巩固措施总结及今后打算图例： 计划进度 实际进度图3 QC小组活动甘特图制图：刘婷 日期：2013年6月30日三、选题理由分院专业建设要求现场施工图纸需求设计条件复杂困难设计过程复杂、出图流程较多掌握路基桩板结构的设计方法，应对软弱、湿陷、岩溶及过渡段路基的设计；在保证设计质量的前提下，提高设计效率，保证现场施工供图时间。地铁施工一般工程复杂、工期短，路基部分又需要有沉降观测期，导致路基施工工期紧张，施工对设计供图周期要求较高。业主要求120天内出施工图。成都地铁2号线一期工程终点段为出入段线，由独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结构及地下隧

9、道结构等不同类型结构构成，导致二期工程起始区间段路基工程设计条件复杂困难，设计周期较长。路基桩板结构设计过程涉及建模、受力分析、结构检算、配筋、出图、院内复核、审核、审定、总体院会签、监理院咨询和强审等过程。其中数值分析过程缓慢，成为拖延出图时间的主要原因。选定课题图4 选题理由评价图制图：时洪斌 日期： 2011年9月10日四、现状调查1.桩板结构是一种新型轨下基础结构，兼有桩基工程与梁板结构的优点，具有能有效控制基础沉降、加快施工进度等优势，目前已在国内外得到了一定的工程应用，但没有对应的详细专项设计规范。目前的桩板结构设计主要依据桥梁设计的相关规范及铁路工程地基处理规范进行。2.桩板结构

10、路基不同与一般土质路基，对专业接口要求较高，互提资料直接影响桩基和承载板的设计。而相关专业的接口资料又需要较长的确认时间，涉及地质、线路、轨道、桥涵、限界、接触网、通信等专业。3.进行桩板结构设计时对结构的数值模拟不确定因素较多，既无经验参考也无成熟专项数值模拟软件可用，导致数值模拟时间较长。配筋检算、CAD制图等后续设计程序及内外审流程也会占用较多的设计时间，影响设计周期。4.2011年4月1日路基桩板结构开始进行初步设计，初步设计实际用时150天完成，虽然滞后了计划周期，但最终按业主要求周期完成了设计任务。下一阶段施工图设计由于工期较紧业主要求周期确定为120天。从图5所示初步设计和施工图

11、设计周期对比图可以看出，施工图实际设计周期要控制在120天内才能完成设计任务。图5 初步设计和施工图设计周期对比图制图：张贵财 日期：2011年9月16日初步设计各设计环节周期统计如表2所示。表2 桩板结构初步设计周期统计表序号检查项目计划周期(天)实际周期（天）滞后时间（天）1资料互提151722数值模拟3065 353配筋检算1017 74CAD制图812 45院内审核79 26院外审查3030 0合计10015050业主要求160制表：张贵财 日期： 2011 年 9 月 16 日根据统计表画出饼图见图6，可以看出数值模拟占据了总设计周期的43.3%。依据业主对下一阶段施工图设计120天

12、的要求，原150天的设计周期会滞后30天，严重影响现场施工供图需求，完不成设计任务，必须缩短桩板结构设计周期。图6 桩板结构初步设计周期饼图制图：张贵财 日期：2011年9月17日5.QC小组再对桩板结构各设计环节滞后时间进行统计分析，得到影响因素调查统计表（表3）。表3 影响桩板结构设计周期因素的调查统计表序号检查项目频数（天）频率（%）累计频率（%）1数值模拟3570%70%2配筋检算714%84%3CAD制图48%92%4资料互提24%96%5院内审核24%100%合计50制表：张贵财 日期： 2011 年 9 月 20 日根据统计表画出排列图见图7，可以看出总滞后时间的70%是数值模拟

13、阶段产生的，所以缩短桩板结构设计周期的关键在于缩短数值模拟阶段的设计周期。图7 影响桩板结构设计周期因素的调查统计排列图制图：张贵财 日期：2011年9月22日五、设定目标1.目标设定依据现状调查可以看出：不论桩板结构实际设计过程中的各阶段周期调查统计，还影响桩板结构设计周期因素的调查统计，都反映出在QC小组可控的范围内数值模拟阶段是影响设计周期的症结所在。在其他阶段周期水平保持不变的情况下，如图8所示，如果数值模拟阶段能够缩短30天就能满足桩板结构总的设计周期控制在120天，满足业主要求。所以设定目标为：桩板结构路基设计数值模拟阶段周期缩短30天。图8 数值模拟周期目标设定柱状图制图：时洪斌

14、 日期：2011.10.152.目标设定依据（1）路基桩板结构的设计得到了各级领导、院总工、集团总工的高度重视，各项技术条件可以得到最大的满足。设计过程中准备邀请院内外桥梁、路基专家参与指导及咨询工作，为桩板结构的选型设计及结构检算提供坚实的技术保障。（2）依据既有的桥梁、桩基及混凝土结构设计规范，借助有限元分析软件可以建立合理的桩板结构模型进行多工况分析计算。（3）桩板结构数值模拟周期与人员、软件、数据、计算方法、技术支持等各方面相关，通过对各环节的优化，加上初步设计的经验积累，在现有65工天的基础上缩短到35天，达到周期缩短30天的目标是可以实现的。综上所述, 成都地铁路基桩板结构QC小组

15、能达到预期目的。六、原因分析针对影响桩板结构数值模拟周期的因素，小组采用头脑风暴法进行了多次讨论，广泛收集设计人员、设计专册、各级工程技术专家的意见，集思广益、畅所欲言、相互启发、相互补充。同时对资料进行整理分析，绘制了因果图（图9），利用因果图从人、机、料、法、环五个方面进行原因分析，并找出末端因素14个。图9 影响桩板结构数值模拟周期因素分析因果图制图：时洪斌 日期：2011年11月15日七、要因确定根据“因果图”分析的末端因素，运用要因验证计划表，针对末端因素逐一确定验证标准及制定验证方法，进行要因确认。要因确定见表4。表4 要因验证计划表要因验证计划表序号末端因素验证方法验证标准负责人

16、验证时间1缺少软件培训调查分析所有设计人员熟练掌握数值模拟软件，考核结果优秀率80%。时洪斌2011.11.162无技术要求书调查分析数值模拟前有详细的结构设计技术要求。时洪斌2011.11.203无现场施工概念现场验证设计人员对模型有空间概念，并知晓施工完后的结构形态。时洪斌2011.11.254模拟软件不当现场测试软件应能全面分析结构的主要受力状态，并能进行不同工况受力分析，前后处理方便，且计算速度较快。软件综合评分15分。黄微2011.11.305电脑配置低现场测试满足计算和图形显示要求。黄微2011.11.186无对应模拟软件数据接口现场测试数据处理软件和数值模拟软件有接口，可以直接读

17、取。张贵财2011.12.157地勘资料不详尽调查分析满足结构细部设计要求，参数可靠详尽。设计质量评定90分以上。张贵财2011.12.98线路平纵资料表达不清晰调查分析平纵断面能够清晰标示结构所处线路位置、线间距及轨道标高。刘婷2011.12.209限界资料不完整调查分析满足地铁限界标准规范要求，能够清晰标示结构物周边已有或已规划的结构物的限界条件。刘婷2011.12.2210规范标准参考不当调查分析规范标准适用桩板结构设计。刘婷2011.12.1011设计方法不当现场测试设计方法适用桩板结构设计。与铁路工程地基处理技术规程要求一致。冷长明2011.11.2012参数选取方法不当现场测试参数

18、选取应涵盖多种组合工况，对结构形式进行比选，对具体几何参数进行优化，技术经济指标综合评分8分。冷长明2011.12.1213缺少咨询条件调查分析在数值模拟遇到困难时能够得到有利的咨询。项目例会能达到每月1次。莫万远2011.12.2514与外院技术交流欠缺调查分析与其他有相似设计的设计院人员保持联系，及时交流设计中遇到的问题。每月例会不少于1次。莫万远2011.12.18制表：时洪斌 制表日期：2011.11.16末端因素1：缺少软件培训 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间1缺少软件培训调查分析所有设计人员应该熟练掌握数值模拟软件，考核结果优秀率80%。时洪斌2011.11.16确认过

19、程：初步设计后对8名设计人员进行数值软件主要功能掌握程度测试，统计分析测试结果如下表：表5 设计人员培训考核表姓名时洪斌黄微刘婷张贵财莫万远冷长明董艳辉张文博得分9265687385809088考核结果优秀及格及格良好良好良好优秀良好优秀率25%注：不及格（60），及格（6069分），良好（7089分），优秀（90100分）制表：时洪斌 制表日期：2011.11.16确认结论：经确认考核结果优秀率25%，达不到确认标准80%，因此是要因。末端因素2：无技术要求书 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间2无技术要求书调查分析数值模拟前有详细的结构设计技术要求。时洪斌2011.11.20确认过

20、程：经过调查分析，数值模拟前有详细的结构设计技术要求。如下：成都地铁路基桩板结构应满足一期独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结构及地下隧道结构等不同类型结构的限界要求，与既有结构物良好衔接。另外还应满足如下量化目标要求：表6 设计技术要求位移目标强度检算目标裂缝检算目标桩基均匀沉降量15mm差异沉降量5mm裂缝宽度0.2mm托梁裂缝宽度0.2mm承载板竖向挠跨比1/1455板端竖向转角小于1.5（rad）裂缝宽度0.2mm技术要求书如图10所示。另外，还有项目设计事前指导书和设计原则（图11）。图10 初步设计技术要求图11 初步设计事前指导书和设计原则 确认结论：数值模拟前有详细的结

21、构设计技术要求，非要因。末端因素3：无现场施工概念 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间3无现场施工概念现场验证设计人员对模型有空间概念，并知晓施工完后的结构形态。时洪斌2011.11.25确认过程：由于设计人员对桩板结构路基现场没有太多概念，现场调查发现，已向设计人员提供了带有工程实例的相关书籍（图12）、施工现场位置的图片（图13）及参考模型（图14）。参考书籍： 图12 参考书籍现场照片：工程位置图13 现场照片参考模型图：图14 桩板结构Midas Civil计算模型确认结论：设计人员对模型建立了空间概念，并知晓实地位置及施工完后的结构形态，非要因。末端因素4：模拟软件不当 序号

22、末端因素确认方法确认标准负责人确认时间4模拟软件不当现场测试软件应能全面分析结构的主要受力状态，并能进行不同工况受力分析，前后处理方便，且计算速度较快。软件综合评分15分。黄微2011.11.30确认过程：桩板结构数值模拟可采用三种计算方法： 基于平面应力条件的力矩传递法； 基于平面应力条件的结构力学求解器计算法（SM solver）； 基于桥梁结构计算有限元软件Ansys 分析法 。 现场从有效性、实用性、误差大小、可操作性四个方面来评价基于上述三种方法的三种模拟软件如表7所示。表7 模拟软件分析评价表方法名称性能类别力矩传递法SM solverAnsys有效性实用性误差大小可操作性综合得分

23、101014*备注：5分，3分，1分制表：黄微 制表时间：2011.11.30通过对三种模拟分析软件进行评价， 之前采用的Ansys得分最高为14分，力矩传递法和SM solver都为10分。无论哪种软件综合得分都小于15分，说明目前用到的软件在进行桩板结构数值模拟方面都不是最优的。模拟软件的选择，影响设计效率和周期。目前使用的Ansys软件在前处理和边界条件设置上不容易上手，设计人员不容易掌握，易导致数值模型的错误，影响后续设计计算。确认结论：软件综合得分都小于15分，缺少更加有效的分析软件来提高数值模拟效率，是要因。末端因素5：电脑配置低 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间5电脑配

24、置低现场测试满足计算和图形显示要求。黄微2011.11.18确认过程：数值模拟所用电脑都为奔腾双核E5800联想扬天系列商用电脑，计算和图形显示性能优良，在处理桩板结构模型上配置足够。后期处理较大数值模型时，对显示较慢的电脑还可以通过增加内存、升级显卡得到解决。设计人员使用的两款电脑联想扬天M6600N和联想扬天A4600K详细配置如图15和图16。 图15 联想扬天M6600N配置 图16 联想扬天A4600K配置确认结论：数值模拟所用电脑都为主流配置商用电脑，可以满足计算和图形显示要求，对设计周期不起决定性作用，非要因。末端因素6：无对应模拟软件数据接口 序号末端因素确认方法确认标准负责人

25、确认时间6无对应模拟软件数据接口现场测试数据处理软件和数值模拟软件有接口，可以直接读取。张贵财2011.12.15确认过程：现场测试发现，不论Ansys还是Midas Civil软件，都有强大的图形和数据接口（图17和图18），可以与其他主流前后处理软件对接；即便是非主流小软件处理的数据格式，也可以通过编写程序进行数据提取及格式转换，为数值模拟直接提供输入数据。图17 Ansys图形和数据接口菜单图18 Midas Civil图形和数据接口菜单确认结论：数据处理软件和数值模拟软件接口丰富，数据转换、输入和输出方便。非要因。末端因素7：地勘资料不详尽 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间7

26、地勘资料不详尽调查分析满足结构细部设计要求，参数可靠详尽。设计质量评定90分以上。张贵财2011.12.9确认过程：调查分析地勘资料发现，大部分关键桩基位置都有钻孔图。结合一期工程的地勘资料，可以保证水文地质情况的可靠性。地勘资料满足设计要求。地勘报告如图19所示，设计质量评定如图20所示，总平均分为94.6分90分，地勘资料评定为优秀。图19 桩板结构段路基地勘报告图20 设计质量评定卡确认结论：地勘资料比较详尽，满足设计要求，设计质量评定94.6分90分。非要因。末端因素8：线路平纵资料表达不清晰 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间8线路平纵资料表达不清晰调查分析平纵断面能够清晰标

27、示结构所处线路位置、线间距及轨道标高。刘婷2011.12.20确认过程：调查分析发现，总体院开放的线路平纵表达方式容易引起误解，且没有提供线间距资料。在多方协调下，线路专业提供了线间距表，认为是可以解决线路数据问题的。线路和轨道专业联系单如图21所示，线路资料问题容易解决不构成控制性因素，不影响结构受力条件的输入。 图21 线路和轨道专业联系单确认结论：现场通过联系单互提资料，可以明确桩板位置线路和轨道技术要求，非要因。末端因素9：限界资料不完整 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间9限界资料不完整调查分析满足地铁限界标准规范要求，能够清晰标示结构物周边已有或已规划的结构物的限界条件。刘

28、婷2011.12.22确认过程：调查分析发现，如路基桩板结构现场位置图所示（图22），限界资料涉及既有一期结构物、新增疏散平台、漏缆护墩和接触网基础等，限界资料直接影响了路基面的设计宽度，及结构的受力分析。设计过程中各专业限界资料不完整，部分预留结构及既有结构具体位置没有实测具体值，只能估算，不满足地铁限界标准规范要求。不能够清晰标示结构物周边已有或已规划的结构物的限界条件，影响建模，对数值模拟起控制作用。图22 路基桩板结构现场位置图确认结论：通过调查分析，未满足地铁限界标准规范要求，达不到确认标准，是要因。末端因素10：规范标准参考不当 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间10规范标

29、准参考不当调查分析参考规范标准适用桩板结构设计。刘婷2011.12.10确认过程：经调查分析，桩板结构设计参考规范主要有铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005 J464-2005）、铁路工程地基处理技术规程（TB10106-2010 J1078-2010）、铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005 J462-2005）、混凝土结构设计规范（GB50010-2010）等。依据高速铁路路基非埋式桩板结构理论与实践和高速铁路无砟轨道桩板结构路基理论与实践两本专著，桩板结构设计主要参考桥梁相关规范设计，现采用的主要规范可以满足桩板结构的设计要求。确认

30、结论：参考规范标准明确，适用于桩板结构设计，非要因。末端因素11：设计方法不当 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间11设计方法不当现场测试设计方法适用桩板结构设计。与铁路工程地基处理技术规程要求一致。冷长明2011.11.20确认过程：目前钢筋混凝土结构设计常采用的有两种理论体系：一是铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范采用的容许应力法；二是混凝土结构设计规范等大多数规范采用的概率极限状态法。理论上采用极限状态法对桩板结构进行设计较容许应力法更为经济、合理。鉴于铁路列车荷载具有特殊性，对列车活载的动力特性认识局限性，列车与桩板结构路基系统动力响应问题涉及到机车车辆、轨道结构和桩

31、板结构等各部件的基本力学参数和几何参数，计算理论和计算过程均非常复杂，此外，铁路工程结构的可靠度设计理论还不成熟，虽然目前国内已取得了一些研究成果，但这些成果发展到实用阶段还有相当大的工作量。因此，目前桩板结构设计仍宜采用容许应力法。确认结论：地铁桩板结构设计方法采用容许应力法，与规范一致，非要因。末端因素12：参数选取方法不当 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间12参数选取方法不当调查分析参数选取应涵盖多种组合工况，对结构形式进行比选，对具体几何参数进行优化，技术经济指标综合评分8分。冷长明2011.12.12确认过程：经调查分析发现，目前桩板结构方案对比只采用了几个选定的结构方案进

32、行对比分析，参数的选取只依靠铁路工程地基处理技术规程（TB10106-2010 J1078-2010）16.2.4的建议值和经验参考值来选取（图23），没有采取科学有效的参数选取方法，也没有采用技术和经济指标评价。参数选取方法直接影响数值模拟比较方案的设计效率，起控制作用。图23铁路工程地基处理技术规程的参数建议值确认结论：参数选择具有改进空间，没有进行优化设计，影响模型的建模和计算分析，是要因。末端因素13：缺少咨询条件 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间13缺少咨询条件调查分析在数值模拟遇到困难时能够得到有利的咨询。项目例会能达到每月1次。莫万远2011.12.25确认过程：通过调

33、查分析可知，当数值模拟过程中遇到困难时，只能求助书本和软件相关案例及说明书，解决问题带有盲目性。但可以通过院内专业间协调，请求桥梁专业协助解决Midas Civil数值模拟过程中遇到的难题；而且项目例会达到了每月一次，起到了很好的技术交流作用（图24）。图24 项目例会记录表确认结论：项目例会达到了每月1次，解决了技术交流和咨询问题，非要因。末端因素14：与外院技术交流欠缺 序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间14与外院技术交流欠缺调查分析与其他有相似设计的设计院人员保持联系，及时交流设计中遇到的问题。每月例会不少于1次。莫万远2011.12.18确认过程：经调查分析，院内设计人员设计经

34、验有限，接触桩板结构较少，和其他铁路设计院间的相关交流较少。但通过各级领导及专业总工的协助疏通，就专业技术问题在设计院间的交流合作是可以实现的。另外，成都地铁监理设计院每两周召开一次项目例会（图25），由总体院和各工点院参加，也为项目组与外院的技术交流提供了便利条件。图25 成都地铁例会会议纪要确认结论：每月2次的例会，可以提供与外院技术交流的机会。非要因。通过上述分析，得出：影响桩板结构数值模拟周期的要因如图26。影响桩板结构数值模拟周期的主要原因图26 影响桩板结构数值模拟周期的要因分析图八、制定对策根据以上要因确认，小组根据5W1H的原则，进一步研究对策，采取切实可行的措施，并明确专人负

35、责实施，具体对策如下表： 表8 对策实施表 序号要因对策（What）目标（Why）措施（How）地点（Where）责任人（Who）完成时间（When）缺少软件培训对软件使用进行集中培训所有设计人员应该熟练掌握数值模拟软件，考核结果优秀率80%。制定培训计划表进行集中培训，课程结束后进行考核。办公室时洪斌唐沛邓文庆2012.1.161.26模拟软件不当找到最适合桩板结构的数值模拟软件软件应能全面分析结构的主要受力状态，并能进行不同工况受力分析，前后处理方便，且计算速度较快。软件综合评分15分。从有效性、实用性、误差大小、可操作性四个方面来评价基于平面应力条件的模拟方法（力矩传递法和SM solv

36、er），Ansys和Midas Civil三维求解器方法，确定最优模拟软件。办公室张贵财刘婷丁新红2012.1.182.15限界资料不完整明确桩板结构的限界条件满足地铁限界标准规范要求，能够清晰标示结构物周边已有或已规划的结构物的限界条件。（1）收集、整理影响路基桩板结构设计的限界条件。（2）依据限界条件确定桩板结构的几何尺寸，确定数值模拟几何模型、类别。施工现场办公室黄微冷长明2012.1.202.20参数选取方法不当对参数进行优化组合参数选取应涵盖多种组合工况，对结构形式进行比选，对具体几何参数进行优化，技术经济指标综合评分8分。（1）对比确定桩板结构的基本形式。（2）对几何参数进行多因素

37、多水平的正交试验，确定参数最优组合，形成对比方案。施工现场办公室刘婷莫万远 2012.2.12.28制表：刘婷 制表时间：2012.1.15 PAGE 43九、实施对策实施对策一：对软件使用进行集中培训 负责人：时洪斌 日期：2012.1.161.26措施：针对设计人员对Midas Civil软件使用不熟练的问题，进行集中培训，培训主要涉及桩板结构数值模拟的如下方面：1. CAD中明确模型的几何尺寸，边界条件。2. 定义模型特征值（材料、截面等）3. 建模：先建立节点后建立单元（复制、平移、切割等）4. 连接边界条件：确定模型构件间建立连接（一般弹性连接、刚性连接等）5. 支承边界条件：确定支

38、承类型6. 建立静力荷载工况（自重、轨道重、收缩徐变、整体升温、整体降温、顶板升温、横向摇摆力、制动力或牵引力、离心力、短轨力或伸缩力）7. 移动荷载分析（移动荷载规范-车道-车辆-车辆荷载组-移动荷载工况）8. 输出分析模拟结构图27 Midas Civil软件界面对桩板结构数值模拟过程中涉及的软件功能，有针对性地制定软件培训计划，如表9所示，并在培训结束后进行总结与考核。表9 软件培训计划表时间地点培训内容主讲人2012.1.18上午路基所329midas Civil有限元分析的基本过程桥梁专业下午路基所330midas Civil建模功能桥梁专业1.19上午路基所329边界条件桥梁专业下

39、午路基所330荷载与分析控制桥梁专业1.20上午路基所329结果与输出桥梁专业下午路基所330midas Civil配套软件介绍桥梁专业1.21上午路基所329桥梁移动荷载分析北京迈达斯技术有限公司下午路基所330施工过程分析北京迈达斯技术有限公司1.22上午路基所329温度问题北京迈达斯技术有限公司下午路基所330结构动力分析北京迈达斯技术有限公司1.23上午路基所329结构稳定分析北京迈达斯技术有限公司下午路基所330抗震分析北京迈达斯技术有限公司1.24上午路基所会议室总结与考核北京迈达斯技术有限公司制表：时洪斌 制表时间：2012.1.17实施效果：通过对软件使用集中培训后，再次对设计

40、人员进行考核，评分结果如下：表10 集中培训后设计人员考核表姓名时洪斌黄微刘婷张贵财莫万远冷长明董艳辉张文博得分9585929095939590考核结果优秀良好优秀优秀优秀优秀优秀优秀优秀率87.5%注：不及格（60），及格（6069分），良好（7089分），优秀（90100分）制表：时洪斌 制表时间：2012.1.24考核结果表明：所有设计人员都能熟练使用Midas Civil软件进行桩板结构数值模拟分析，考核结果优秀率为87.5%。小目标验证：通过集中培训，软件使用考核优秀率提高到了87.5%，大于80%，目标实现！ 实施对策二: 找到最适合桩板结构的数值模拟软件 负责人：张贵财 日期：2

41、012.1.182.15措施：采用三种计算方法： = 1 * GB3 基于平面应力条件的力矩传递法（图28）； = 2 * GB3 基于平面应力条件的结构力学求解器计算法（SM solver）（图29）； = 3 * GB3 基于桥梁结构计算有限元软件Ansys或Midas Civil 分析法（图32）。通过上述三种方法对比分析相互验证，得出桩板结构内力。计算出桩板结构的内力包括：桩基的轴力、弯矩、剪力；顶板的横向弯矩、纵向弯矩，为桩和顶板的配筋提供依据。在完成桩板结构内力检算的基础上，进一步验算，桩基抗压、抗弯强度，相应的桩基配筋；板的抗弯、抗冲切、抗剪强度，相应的顶板配筋。计算结果显示前两

42、种方法计算的弯矩相差较大，这是因为SM solver未考虑结构的空间效应，将整个空间结构简化成平面应力计算，尤其是在桩与板的结合处这种简化方式将导致桩板分担弯矩失真，不易采用；而结构力学计算的过程中按照桩板的面积比进行刚度的调整之后更接近于实际情况，但是上述两种方法都无法求解桩板结构的空间效应，所以需要引入Ansys或Midas Civil等三维求解器进行求解。采用有限元软件对桩板结构进行分析，结果显示较接近实际情况，可以指导实际工程设计。现将模拟方法按照平面二维和空间三维分述如下：1.基于平面应力条件的模拟方法（力矩传递法和SM solver）图28 力矩分配法计算示意图图29 SM Sol

43、ver结构力学求解器桩板结构为多自由度超静定结构，受力分析时不仅要考虑桩土间的相互作用，还要考虑温度应力以及桩基不均匀沉降等的影响，分析过程较为复杂。对桩板结构进行力学计算前可以加以简化，用一个简化的结构计算模型来代替实际结构。按等刚度原则，把空间的桩板结构分别按纵向、横向转化为平面框架结构进行分析，同时结构自重恒载与列车活载简化为均布荷载作用在平面杆件上。（1）纵向：对承台板受力、变形以及桩的纵向受力、变形进行分析（图30）；（2）横向：对托梁受力、变形以及桩横向受力、变形进行分析（图31）。图30 纵断面计算简图及荷载分布示意图图31 横断面计算简图及荷载分布示意图先分析纵向体系，得到承台

44、板的内力和桩顶的纵向弯矩、纵向力；根据承台板支座处的竖向力，计算出托梁的荷载，然后分析横向体系；根据纵向体系和横向体系的分析结果可求得桩顶荷载，对受力状态下的桩基进行设计计算。2.Ansys和Midas Civil三维求解器方法图32 ANSYS和Midas Civil软件界面采用Ansys或Midas Civil有限元软件以梁单元建立四跨一联桩板结构内力计算模型（图33），为消除边界影响，计算模型为三联，选取中间联为研究对象；计算模型中不考虑地基土对托梁及承载板的支承作用。采用“m”法计算桩基础的等效刚度矩阵，并通过一般弹性支承（模拟基础弹性）在桩梁固接处施加托梁边界条件；托梁及承载板采用空

45、间梁单元模拟，桩头与承载板或托梁连接支点位置采用一般弹性支承，承载板、托梁及桩刚性连接位置采用刚性弹性连接模拟，搭接位置采用一般弹性连接模拟。为考虑地震力影响，模型中添加反应谱分析。桩板结构设计计算流程：首先建立桩、托梁、承载板整体三维数值模型，添加边界条件及荷载，运行有限元分析后得到桩顶纵向力和纵向弯矩，据此结合钻孔灌注桩的容许承载力确定各段桩基长度；然后依据各段地层情况采用Pile软件计算桩基础的等效刚度矩阵，代替数值模型中的桩基础，模型简化为板梁结构；再计算桩头最大轴力、最大弯矩，承载板最大轴力、最大弯矩、最大剪力，依据容许应力法对桩基和承载板进行强度配筋和裂隙检算；最后进行位移和变形分

46、析。图33 桩-托梁-板结构三维数值模型实施效果：从有效性、实用性、误差大小、可操作性四个方面来评价基于上述三种方法的四种模拟工具如表11所示。表11 模拟工具分析评价表方法名称性能类别力矩传递法SM solverAnsysMidas Civil有效性实用性误差大小可操作性综合得分10101418选定方法否否否是 *备注：5分，3分，1分，根据综合得分来选定方案。制表：张贵财 制表时间：2012.1.20通过对四种模拟分析工具进行评价，Midas Civil的综合得分最高为18分，Ansys为14分，力矩传递法和SM solver都为10分。小目标验证：通过不同软件的对比分析，进行综合评分，结

47、果只有Midas Civil的综合得分（18分）15分，所以优选Midas Civil为数值模拟软件。目标实现！ 实施对策三: 明确桩板结构的限界条件 负责人：黄微 日期：2012.1.202.20措施：（1）收集、整理影响路基桩板结构设计的限界条件。桩板结构的几何模型除满足钢筋混凝土结构的设计要求外，还应根据现场情况满足各种限界要求。如图3437各专业限界要求主要以联系单和会议纪要形式提供，限界资料整理如下：图34 漏缆护墩基础限界资料图35 接触网基础限界资料图36 疏散平台基础限界资料图37 一期工程基础限界资料（2）依据限界条件确定桩板结构的几何尺寸，确定数值模拟几何模型、类别。根据一

48、期边坡情况、漏缆护墩和接触网限界资料，桩板结构外侧半宽确定为2.1m。另据内侧一期结构物和疏散平台限界要求，桩板结构ZDK44+400+424，YDK44+350+374段内侧半宽确定为2.1m，不设置疏散平台，为异形板；其余段落内侧半宽为2.6m，为标准板。桩板结构横断面如图38所示。图38 路基断面图实施效果：将各专业对路基桩板结构设计过程中的限界要求进行统计，绘制路基结构断面图，确定路基面宽度，承台板宽度，最终确定了桩板结构整体边界尺寸，异形板位置。结构限界分析评价如表12所示，桩板结构边界尺寸考虑了各种限界条件，并满足地铁限界标准的规定。表12 结构限界分析评价表限界条件规范要求漏缆护

49、墩基础限界接触网基础限界疏散平台基础限界一期工程基础限界地铁限界标准制表：黄微 制表时间：2012.2.20小目标验证：通过搜集整理各专业和现场限界条件，确定了桩板结构整体边界，并满足地铁限界标准的规定。目标实现！ 实施对策四: 对参数进行优化组合 负责人：刘婷 日期：2012.2.12.28措施：1. 确定结构形式（1）桩基依据铁路桥涵地基和基础设计规范，钻孔灌注桩的中心距不应小于2倍成孔桩径；承载板边缘至最外一排桩的净距，当设计桩径d1m时，不得小于0.3d，且不得小于0.5m。综合考虑，桩基沿线路中心对称双排布置方式不满足要求，宜采用沿线路中心单排布置，间距67m。（2）托梁独立墩柱式（

50、图39-a）：无托梁，桩基与承载板直接相连接，承载板直接固接于桩上。托梁式（图39-b）：中支点处桩基钢筋穿过托梁锚固于承载板中，使得桩基、托梁及承载板在桩基位置处三者固接；边支点处桩基与托梁固接，板梁间搭接。复合式（图39-c）：中跨采用独立墩柱式，边跨为托梁式。三种构造形式的桩板结构具有共性又各有其特点，其中，独立墩柱式板体为双向板，视支撑情况可以任意方向共同受力，边支点处宜设计成悬臂，长期活载作用下在边支点悬臂处易产生较大折角，对钢轨受力不利，并影响行车平顺性；由于托梁的存在，托梁式和复合式桩板结构极大简化了承载板受力，降低了桩基与承载板连接处的应力集中，另外由于托梁的横向连接作用，也增

51、强了桩板结构的横向刚度与抵抗不均匀沉降的能力。综合分析，复合式桩板结构构造简单，受力明确，运营性能好。 （a）独立墩柱式 （b）托梁式（c）复合式图39 桩板结构主要结构形式（3）承载板连续式：连续式承载板的构造措施中不设置温度缝和沉降缝，一联结构的跨数可超过100跨，长度超过千米（图40）。分联式：分联式承载板结构一联36跨，联与联之间设构造缝，减少温度变化和桩基不均匀沉降对结构的影响（图41）。 图40 连续式桩板结构 图41 分联式桩板结构桩板结构最终结构形式如表13所示，确定单排分联复合式桩板结构为优选结构形式。表13 桩板结构形式确认表项目方案方案分析结论结构形式桩基布置1.双排布置

52、（线路中心对称）（矩形布置，三角形布置）2.单排布置（沿线路中心）托梁布置1.独立墩柱式桩基与承载板直接相连接，承载板直接固接于桩上。2.托梁式中支点处桩基钢筋穿过托梁锚固于承载板中，使得桩基、托梁及承载板在桩基位置处三者固接；边支点处桩基与托梁固接，板梁间搭接。3.复合式中跨采用独立墩柱式，边跨为托梁式。承载板布置1.连续式（不设置温度缝和沉降缝）2.分联式（一联36跨，联与联之间设构造缝，减少温度变化和桩基不均匀沉降对结构的影响）制表：张文博 制表时间：2012.2.52.几何参数优化对承台板跨度L、承台板高度H和托梁高度h进行正交试验尺寸优化，构建三水平三因素正交试验表。 采用技术指标（

53、承载板最大正弯矩、负弯矩，托梁最大正弯矩、负弯矩）和经济指标（混凝土、钢筋用量、总造价）作为目标函数。正交试验表如表14：表14 正交实验表因素LHh水平160.61.0280.81.23101.01.5计算方案111121223133421252236231731383219332制表：张文博 制表时间：2012.2.10实施效果：如表15所示，对9个计算方案分别建模分析对比目标函数并评分，确定计算方案3技术性和经济性综合得分最高为10分，为最优方案。最终承台板跨度L=6m、承台板高度H=1.0m和托梁高度h=1.5m。优化后的几何参数如图42所示。表15 正交试验方案分析评价表计算方案目标

54、函数123456789技术性经济性综合得分6810686648选定方法否否是否否否否否否*备注：5分，3分，1分，根据综合得分来选定方案。制表：张文博 制表时间：2012.2.12a. A-A剖面b. B-B剖面c. C-C剖面 d. D-D剖面 图42 桩板结构几何模型（单位：m）小目标验证：通过正交试验方法对复合式桩板结构参数进行了优化设计，所选参数达到了技术和经济最优，综合得分为10分8分。目标实现！ 十、效果检查1. 活动后的目标实现情况对影响桩板结构数值模拟周期的要因进行了对策实施后，在此基础上2012年3月3日开始了桩板结构的施工图设计，实际2012年6月25日完成了桩板结构施工图各阶段设计工作，共计115天。详细各阶段周期统计如表