隧道及地下工程ANSYS分析 第10章 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析(13页).doc

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1、-隧道及地下工程ANSYS分析 第10章 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-第 13 页第十章/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1 KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM， /COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM， Structural 1 材料、实常数和单元类型定义/clear !更新数据库/prep7 !进入前处理器et,1,so

2、lid45 !设置单元类型et,2,mesh200,6save !保持数据（2）定义模型中的材料参数。!土体材料参数 !地表层土弹性模量 !地表层土泊松比mp,dens,1,1828 !地表层土密度mp,ex,2,e6 !盾构隧道所在地层参数mp,prxy,2mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数mp,prxy,3mp,dens,3,2160!管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算mp,ex,4,27.6e9 !管片衬砌弹性模量mp,prxy,4 !管片衬砌泊松比mp,dens,4,2500 !管片衬砌密度!注浆层，参数按水泥土取值mp,ex,5,1e9 !注浆层

3、弹性模量mp,prxy,5 !注浆层泊松比mp,dens,5,2100 !注浆层密度save !保持数据 2 建立平面内模型并划分单元（1）在隧道中心线定义局部坐标，便于后来的实体选取。local,11,0,0,0,0 !局部笛卡儿坐标local,12,1,0,0,0 !局部极坐标csys,11 !将当前坐标转换为局部坐标wpcsys,-1 !同时将工作平面转换到局坐标cyl4,2.7,90cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !画管片层部分圆cyl4,0,0,3,0,3.2,90 !画注浆层部分圆 !画外边界矩形aovlap,all !做面递加nummrg,all !合并所有元素numcm

4、p,all !压缩所有元素编号 !画矩形面nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号save !保持数据（2）划分单元，如图10-1所示。meshkey,1 !选择划分方式为映射划分type,2 !采用Mesh 200进行平面内的单元划分lesize,1,6 !对线设置单元数lesize,2,6lesize,3,6 amesh,1 !对面1划分单元lesize,4,6 !对线设置单元数lesize,8,2lesize,9,2amesh,2 !对面2划分单元lesize,5,6 !对线设置单元数lesize,10,1lesize,11,1amesh,3 !对面3

5、划分单元lesize,12,3 !对线设置单元数lesize,13,3lesize,6,3lesize,7,3lesize,14,8,2amap,4,7,6,8,10 !对面4采用MAP方式划分单元amap,5,9,8,11,12 !对面4采用MAP方式划分单元save !保持数据（3）利用对称性划分单元得到下半部分模型，如图10-2所示。 arsym,y,all !以y轴为对称轴进行镜像操作nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号allsel,all !选择所有元素save !保持数据（4）建立隧道下方土层模型，如图10-3所示。rectng,0,4.5,

6、-4.5,-26 !绘制下边界矩形面rectng,4.5,31.5,-4.5,-26 nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号lesize,28,3 !对线设置单元数lesize,30,5,2lesize,31,8,2amesh,11 !对面11和12划分单元amesh,12save !保持数据（5）建立隧道上方土层模型，如图10-4所示。rectng,0,4.5,4.5,15 !绘制上边界矩形面rectng,4.5,31.5,4.5,15lesize,34,3 !对线设置单元数lesize,35,4lesize,33,4lesize,36,4amesh,1

7、3 !对面13和14划分单元amesh,14nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号save !保持数据（5）利用对称性得到平面内的全部模型，如图10-5所示。allsel,all !选择所有元素arsym,x,all !以x轴为对称轴进行镜像操作nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号save !保存数据库3 建立三维有限元模型（1）通过沿隧道轴线进行拉伸，得到隧道及其所在地层的三维实体模型!沿隧道轴线定义一系列关键点，点间距为3m*do,i,1,20 !循环20次 k,0,0,-3*i !每次增加3m（纵向）*endd

8、o!沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸l,3,38 !根据关键点生成线*do,i,1,19 l,37+i,38+i !通过关键点号循环增加生成线*enddo*do,i,1,20 lesize,64+i,1 !循环对线设置单元数*enddo!进行拉伸，拉伸后建立的完整模型如图10-6所示type,1 !选择拉伸单元为Solid 45mat,1 !赋予拉伸单元材料参数esys,11 !选择单元坐标extopt,aclear,1 !设置拉伸选项，即拉伸完成后删除母单元Mesh 200csys,12*do,i,1,20 asel,s,loc,z,-3*(i-1) !选择拉伸的面 vdrag,all,6

9、4+i !进行拉伸*enddoallsel,all !选择所有元素nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号allsel,all !选择所有元素save !存储数据库（2）分层赋给土体材料参数。!赋予隧道所在地层材料参数csys,0 !改变坐标系nsel,s,loc,y,-10.5,5 !选择节点esln,s !选择单元mpchg,2,all !改变材料参数!赋予基岩材料参数nsel,s,loc,y,-11,-26 !选择节点esln,s !选择单元mpchg,3,all !改变材料参数10.2 掘进过程三维仿真分析10.2.1 加载与自重应力场求解1 施加边

10、界条件（1）并进行求解设置。Finish !返回上一次主菜单/solu !进入求解器csys,0 !改变坐标系/view,1,-1,0.5,1 !改变视图显示方向/replot !重新绘制eplot !显示单元图save !保存数据库nsubst,10 !指定荷载子步nlgeom,on !指定大变形nropt,full !指定newton-lapnace迭代pred,on !启用非线性求解预测器lnsrch,on !启用线性搜索outres,all,last !选择将每一子步的最后一个迭代计算步结果保存（2）施加约束条件。nsel,s,loc,x,-31.5 !选择节点d,all,ux !施加

11、X方向约束nsel,s,loc,x,31.5 !选择节点d,all,ux !施加X方向约束nsel,s,loc,y,-26 !选择节点d,all,uy !施加Y方向约束nsel,s,loc,z,0 !选择节点nsel,a,loc,z,-60d,all,uz !施加Z方向约束allsel,allacel,0,10,0 !施加重力step=0 !用于记录计算步的参数save !存储数据库2 自重应力场求解与后处理（1）求解自重应力场。time,1 !第1个荷载步（时间步）solve !求解save !存储数据库finish !返回上一次主菜单（2）自重应力场后处理。/POST1 !进入后处理器PL

12、NSOL,S,Y,0,1 !SY应力图如图10-8所示PLNSOL,U,Y,0,1 !UY位移图如图10-9所示10.2.2 加载与自重应力场求解1 第1步开挖模拟分析（1）第1步开挖中第1个计算步的命令流。/solu !进入求解器antype,rest !设定分析类型为重启动分析，重启动点默认为上次求解结束时time,2 !设定时间步AUTOTS,1 !自动增加计算步DELTIM,0.1,0.001,0.2,1 !时间步选项设置csys,12 !将当前坐标变为前面自定义的极座标wpcsys,-1 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3 !再选择体eslv,s !选择单元ekill,all

13、 !杀死开挖土体单元，包括核心图、管片层、注浆层 !选择面asel,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !施加掌子面顶进压力 !选择面SFA,all,1,PRES,0.15e6 !施加注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !存储数据库finish !返回上一主菜单（2）第1步开挖中第1个计算步的命令流。/solu !进入求解器antype,rest !重新启动time,3 !第三次计算AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12 !改变坐标系wpcsys,-1 !改变工作坐标系vsel,s,loc,x,0

14、,2 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !选择单元ekill,all !杀死核心土单元 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !选择单元mpchg,4,all !改变管片单元材料参数 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !选择单元mpchg,5,all !改变注浆层材料参数 !选择面asel,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !在面上施加压力SFA,all,1,PRES,0 !取消注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !保存数据库finish !返回上一层主菜单2 开挖循环

15、MAC文件的编写（1）将第1步开挖，第1个计算步中的命令流改写为以step（开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件名命为Constr1.mac。!* *Constr1.mac*time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,r,loc,z

16、,-3*(step-1),-3*stepeslv,sekill,allasel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save（2）将第1步开挖，第2个计算步中的命令流改也写为以step（开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件名命为Constr2.mac，代码如下：!* Constr2.mac*time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,

17、-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,sekill,allvsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,5,allasel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve save3 第2步到第13步的开挖模拟分析（1）第2步开挖模拟分析，!以下的中文说明也与第一步开挖一致，在此省去。/soluantype,reststep=2/soluantype,rest

18、step=2（2）第3步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=3/soluantype,reststep=3（3）第4步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=4/soluantype,reststep=4（4）第5步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=5/soluantype,reststep=5（5）第6步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=6/soluantype,reststep=6（6）第7步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=7/soluantype,reststep=7（7）第8步开挖模

19、拟分析。/soluantype,reststep=8/soluantype,reststep=8（8）第9步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=9/soluantype,reststep=9（9）第10步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=10/soluantype,reststep=10（10）第11步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=11/soluantype,reststep=11（11）第12步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=12/soluantype,reststep=12（12）第13步开挖模拟分

20、析。/soluantype,reststep=13time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,r,loc,z,-3*(step-1),-60eslv,sekill,allasel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,

21、1,PRES,0e6asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save !以上为开挖中的第一个计算步/soluantype,reststep=13time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-60eslv,sekill,allvsel,r,loc,z,0,-60eslv,smpchg,4,allvsel,r,loc,z,0,-60eslv,smpchg,5,alla

22、sel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve save !以上为开挖中的第二个计算步10.3 计算结果分析本节主要从地层位移、地表沉降和管片结构内力随盾构隧道掘进施工过程的变化进行了详细的分析。1 1地层位移分析!*loadcase.mac*/POST1 !进入后处理器LCDEF,1,1, , !将第1个计算步结果定义为荷载工况1LCDEF,2,3, , !将第3个计算步的结果定义为荷载工况2LCASE,2, !读入荷载工况2LCOPER,SUB,1, , , !将荷载工况2减去荷载工况1ESEL,S,LIVE !选择活状态下的单元PLNSOL,U,Y,0,1 !绘制节点结果，Y方向位移图如图10-10所示2 地表沉降分析同样，利用loadcase.mac中的命令流还可以得到地表沉降。运行了该文件后，执行下面的命令：CSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15 !选择地表节点ESLN,S !选择附在节点上的单元EPLOT PLNSOL,U,Y,0,13 管片结构受力分析VSEL,S,LOC,XVSEL,R,LOC,Z,0,-3ESLV,S !选取第1环管片SET,3,LAST,1, !读入第3个计算步（对应于第1个开挖步结束）PLNSOL,S,EQV,0,1