缩短路基桩板结构数值模拟的设计周期

中HI铁■

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

一、工程概况.......................................................1

二、小组概况.......................................................2

三、选题理由.......................................................3

四、现状调查.......................................................4

五、设定目标.......................................................7

六、原因分析.......................................................8

七、要因确定.......................................................9

八、制定对策......................................................22

九、实施对策......................................................23

十、效果检查......................................................36

H-一、巩固措施....................................................39

十二、总结及今后打算..............................................40

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路基区间部

分（图1）。路基段右正线里程YDK44+350.00〜YDK45+212.60,线路长862.60m；左正线

里程ZDK44+400.00〜ZDK45+207.606,线路长807.605m0

经

干

院

站

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。

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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，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1QC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-2O13-34QC教育人均60小时小组类型攻关型

2011年9月〜

活动日期成果日期2013年7月活动出勤率90%

2013色6月

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

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

制表:日期：2011年4月5日

2

2.活动时间(2011.9-2013.6)

活动时间(2011.9〜2013.6)

2011年2012年2013年

活动项目

9101112123-45-67-89-1011-121-23-45-6

月月月月月月月月月月月月月月

■■■

选择课题

现状调查

a■■

设定目标

原因分析

P

要因确认aa■।■1■■■1

tan

制定对策

D对策实施

C效果检查

巩固措施

A总结及今

后打算

图例：计，划进度.......实际进度------

图3QC小组活动甘特图

制图：刘婷日期：2013年6月30R

3

三、选题理由

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

4

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

计划周期实际周期滞后时间

序号险查项目

（天）（天）（天）

1资料互提15172

2数值模拟306535

3配筋检算10177

4CAD制图8124

5院内审核792

6院外审查30300

合计10015050

业主要求160

制表：张贵财E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%o

依据业主对下一阶段施工图设计120天的要求，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。

5

□1资料互提

■2数值模拟

□3配筋检算

□4CAD制图

■5院内审核

□6院外审查

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;底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（气）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。

50100%

45

4080%

35

3060%

25

2040%

15

1020%

5

00%

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

6

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X小组可控的范I韦I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在状图

制图：时洪斌日期：2011.10.15

2.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，通过对各环节的优亿，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小组能达到预期目的。

7

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。

机

软件使用不熟练

费

结

数据转换繁琐

设计原则不清构

分析计算速度慢

不注重细节数

周

期

桩长调整结果误差大时

解决难题时间长

受力分析困难里

结构模型侵界

荷载变化

对比方案螯杂缺乏经验参考

法1

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

8

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验证时间

所有设11人员熟练掌握数值模拟

1缺少软件培训调查分析时洪斌2011.11.16

软件，考核结果优秀率280%。

数值模拟前有详细的结构设计技

2无技术要求书调查分析时洪斌2011.11.20

术要求。

设计人员对模型有空间概念，并

3无现场施工概念现场验证时洪斌2011.11.25

知晓施工完后的结构形态。

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

4模拟软件不当现场测试黄微2011.11.30

分析，前后处理方便，且计算速

度较快。软件综合评分＞15分。

5电脑配置低现场测试满足计算和图形显示要求。黄微2011.11.18

无对应模拟软件数数据处理软件和数值模拟软件有

6现场测试张贵财2G11.12.15

据接口接口，可以直接读取。

满足结构细部设计要求，参数可

7地勘资料不详尽调查分析张贵财2011.12.9

靠详尽。设计质量评定90分以上。

线路平纵资料表达平纵断面能够清晰标示结构所处

8调查分析刘婷2G11.12.20

不清晰线路位置.、线间距及轨道标高。

满足《地铁限界标准》规范要求，

9限界资料不完整调查分能够清晰标示结构物周边已有或刘婷2011.12.22

己规划的结构物的艰界条件。

10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2G11.12.10

设计方法适用桩板结构设计。与

11设计方法不当现场测试《铁路工程地基处理技术规程》冷长明2011.11.20

要求一致。

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

12参数选取方法不当现场测试冷长明2011.12.12

何参数进行优化，技术经济指标

综合评分＞8分。

在数值模拟遇到困难时能够得到

13缺少咨询条件调查分析有利的咨询。项目例会能达到每莫万远2011.12.25

月1次。

与其他有相似设计的设计院人员

与外院技术交流欠

14调查分析保持联系，及时交流设计中遇到莫万远2011.12.18

缺

的问题。每月例会不少于1次。

制表：时洪斌制表日期：2011.11.16

9

末端因素L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

缺少软件所有设计人员应该熟练掌握数值模

1调查分析时洪斌2011.11.16

培训拟软件，考核结果优秀率280%。

确认过程：

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（V60）,及格（60~69分），良好（7。~89分），优秀（90~100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施认时间

无技术要数值模拟前有详细的结构设计技

2调查分析时洪斌2011.11.20

求书术要求。

确认过程：

经过调查分析，数值模抵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•期独立墩柱式桩板结构、U型槽结构、明挖段围护结阂及地下

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。另外还应满足如卜.量化目标要求:

表6设计』皮术要求

位移目标强度检算FI标裂缝检算目标

均匀沉降量W15mm

桩基。0]裂缝宽度WO.2mm

差异沉降最W5mm

托梁—o。]裂缝宽度WO.2mm

竖向挠跨比W1/1455

承载板裂缝宽度WO.2mm

板端竖向转角小于1.5%o（rad）

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II）。

10

成都地铁2号线W|1ft!（东西延伸僮

初步设计

技术要求

（慎行■）

中・中铁二麻工程集笆府$点任公・

图10初步设计技术要求

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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

无现场施设计人员对模型有空间概念，并知

3现场验证时洪斌2011.11.25

工概念晓施工完后的结构形态。

II

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：

图13现场照片

12

参考模型图:

图14桩板结构UidasCivil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

序号末端因素确认方法确认标准负责人确认时间

软件应能全面分析结构的主要受力

模拟软件状态，并能进行不同工况受力分析，

4现场测试黄微2011.11.30

不当前后处理方便，且计算速度较快。

软件综合评分＞15分。

■

确认过程:

桩板结构数值模拟可采用三种计算方法：①基于平面应力条件的力矩传递法；②基于平面应

力条件的结构力学求解器计算法(SMsolver)；③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

商产名称

力矩传递法SMsolverAnsys

性能类别j

有效性OC◎

实用性△△O

误差大小OCo

可操作性OCo

综合得分101014

*备注：©5分，03分，分

制表：黄微制表时间:2011.11.30

13

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E58OO联想扬天系列商用电脑，计算和图形显示性能优良，在

处理桩板结构模型卜.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16o

类型

阳口电V

5联阻■作枇lirKkvK7lUx-Rfi&icI

代年系统Vintbri7ku也4c《不叱/越版）主税心片则Intel弘3

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UI•类型泉成工k

UKE片ATIR»kufi10U50uf«nIntelQU11500IU

5I2MR共享内存69

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，对发计周期

不起决定性作用，非要因。

14

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确认时间

无对应模拟软数据处理软件和数值模拟软件有

6现场测试张贵财2011.12.15

件数据接口接口，可以直接读取。

确认过程:

现场测试发现，不论Ansys还是MidasCivil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。

UttANSYS

CUtrISt«tJ

利用IGES文件接□导入IGES几何文件

CX4M<tir«et«ry

利用CATLAV4x或者更低版本专用接口

导入CATLAV4以及更低版本的几何文件

R«i'ia>«friii

S«V«7公利用CATLAV5RK13专用接

Svr«as...口导入CATLAV5的几何文件

Yr】gk!l*cfile

Iifottrg利用Pro/ENGINEER2001和WUdfine

1〃专用接口导入ProE几何文件

Utt

File0>«rUio&t

ASETShit01>t>利用UnigraphksNX2.0专

用接口导入UG几何文件

Ixpirt利用SAT/AC1S13或者更低版

“Ill

本文件接口导入SAT几何文件

2xit...

利用PARA文件接□导入PARA几何文件

利用CaltechIntermediateFormat

(CIF)口导入CIF

图17Ansys图形和数据接口菜单

导入⑴MIDAS/CMIMCT文件(0…

导出(E)AutoCADDXF文件①)…

合并数据文件(M)…SAP