同济曙光TBM水工隧道设计分析软件使用手册

同济曙光TBM水工隧洞设计分析软件用户手册上海同岩土木工程科技有限公司二○○七年九月目录第一章系统概述 (1)1.1软件系统构成 (1)1.2系统加密机制 (1)1.3系统需求 (1)1.4主要术语 (2)第2章软件使用说明 (3)2.1启动程序 (3)2.2规范选择 (4)2.3设置材料 (6)2.4设置断面 (9)2.5网格剖分 (11)2.6围岩基本信息 (12)2.7设置工况 (12)2.8地层弹簧 (14)2.9围岩压力 (16)2.10衬砌自重 (19)2.11衬砌自重 (19)2.12外水压力 (20)2.13灌浆压力 (21)2.14地震荷载 (22)2.15温度荷载 (23)2.16控制参数设置 (23)2.17计算图例和模型 (27)2.18分析求解 (28)2.19查看结果 (28)2.20报告输出 (32)2.21注意事项 (33)第三章通用功能 (34)3.1文件操作 (34)3.2编辑 (36)3.3查看 (36)3.4窗口 (38)附录A TBM隧洞建模实例 (40)第一章系统概述1.1软件系统构成TBM水工隧洞设计分析软件用于计算盾构水工隧洞在设计荷载作用下的结构内力。

软件由TBM水工隧洞设计分析软件主程序(前、后处理)和TBM水工隧洞设计分析软件计算程序组成。

TBM水工隧洞设计分析软件主程序包含了前、后处理的所有功能，用户从建立计算模型到分析以及查看计算结果均在主程序中进行。

其中前处理的功能是根据用户输入的数据建立分析模型。

计算程序（嵌于主程序中，不能被单独使用）用于对模型数据进行有限元分析，并输出相应的计算结果。

后处理功能则用于将计算结果用直观的方式显示出来。

通过使用TBM水工隧洞设计分析软件，用户只须将隧洞断面、材料信息、荷载、边界条件等参数，就可从获得变形图、等值线、应力分布曲线及内力图等易于理解的直观结果，用户不必关心与有限元理论相关的中间处理过程。

1.2系统加密机制软件狗是防止软件系统不被非法使用而设计的基于硬件的保护系统，它用于确保TBM水工隧洞设计分析软件只能在加有软件狗的微机上作用。

当用户要在某台计算机上使用该软件时，必须首先将软件狗插到本机的打印机口上，否则运行软件时，系统将会出现软件狗没有找到这一错误信息。

1.3系统需求要运行TBM水工隧洞设计软件，必须要有以下的硬件和软件的支持：●Windows 95 或Windows 98 或Windows NT3.51/4.0或Windows2000推荐使用Windows98或Windows NT4.0或Windows2000，如果使用Windows 95则一定要有Internet Explorer 4.0或以上版本。

●Intel 486 或Pentium或其它兼容处理器●16MB以上内存●20MB硬盘空间● 交换文件大小视模型的大小而定● 640*480*256色显示器● 推荐使用800*600以上分辨率，真彩色的显示器● 鼠标1.4主要术语管片：圆弧形结构物，用来拼装成隧道外轮廓，本软件指预制的混凝土管片； 衬砌：由管片通过无螺栓接头或有螺栓接头连接而成，一环衬砌由几块管片构成； 环向螺栓：为了构成衬砌环，连接管片用的螺栓，本软件以管片接头形式模拟螺栓的作用。

纵向螺栓：衬砌环之间相互连接的螺栓，在本软件计算模型示意图中，以表示。

管片接头：在隧道横断面上连接管片形成衬砌环的部分，在本软件计算模型示意图中，以表示。

管片材料：在本程序中，按平面应变问题取1米进行计算截面的转动惯量、面积；弹性模量可以从规范上查得。

管片宽度：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬砌宽度。

管片厚度：在隧道纵断面的半径方向测得的管片侧壁的高度。

管片高度放水带槽嵌缝槽图1.4.1 管片宽度、厚度示意图管片分布自重: 容重乘以管片厚度(不要再乘以宽度)。

第2章软件使用说明2.1 启动程序在正确安装曙光软件后，选择开始程序同济曙光4.0TBM水工隧洞分析。

即可进入软件的主界面，如图2.1.1所示：图2.1.1 TBM水工隧洞设计分析软件主界面单击主菜单上的建模向导和计算结果，分别如图2.1.2、2.1.3所示：图2.1.2 建模向导菜单图2.1.3 计算结果菜单用户只需要按照建模向导菜单的顺序依次操作即可完成盾构隧道的内力分析，下面逐个介绍菜单的意义和对应对话框的操作。

2.2 规范选择从〈建模向导〉菜单中选择，或者从工程窗口中单击。

弹出如下对话框。

图2.2.1 规范选择本TBM施工水工隧洞设计软件共考虑了两套设计规范：①《水工隧洞设计规范（SL279-2002）》和《水工钢筋混凝土结构设计规范（SDJ20_78）》（以下将第一套设计规范简称：旧规范）；②《水工隧洞设计规范（DL/T5159_2004）》和《水工钢筋混凝土结构设计规范（DL/T_5057_1996）》（以下将第二套设计规范简称：新规范）。

程序中默认选择为第一套设计规范，即：《水工隧洞设计规范（SL279-2002）》和《水工钢筋混凝土结构设计规范（SDJ20_78）》。

用户可以如下图红圈所示的下拉菜单对规范进行选择。

图2.2.2 规范切换在默认的情况下，点击“规范参数设置”，会弹出如下所示的对话框：图2.2.3 规范参数设置共有三项设置，分别是材料、配筋参数设置和抗裂。

如上图红圈所示。

当前显示的是“材料”设置对话框，在其中可以设置材料参数值。

图2.2.4 规范参数设置—配筋参数设置点击“配筋参数设置”弹出如图2.2.4所示的对话框。

点击“抗裂”弹出如下对话框：图2.2.5 规范参数设置—抗裂2.3 设置材料建模向导设置断面材料建模向导设置断面材料管片图2.3.1 管片材料编辑器对话框操作提示转动惯量、面积均是取1米进行计算。

混凝土弹性模量按规范取值。

转动惯量和面积根据管片宽度和衬砌厚度计算得到。

管片宽度项填实际管片宽度。

γδP，其中γ为管片容重，δ为管片厚=g度。

建模向导设置断面材料管片接头图2.3.2 管片接头编辑器对话框接头模式分为线性、双线性和非线性三种模式：关系表达如下：⎪⎩⎪⎨⎧<∆∆≥∆∆-∆⋅∆=-+0000u uK u uu u u K N n m n⎩⎨⎧≥∆∆+-≤∆∆=ms m s s ms v v v K v K K v v vK Q 2211)(⎪⎩⎪⎨⎧<∆∆+-≥∆∆+-=-∆--+∆-+-+)1(0)1(θθθθθθc e a c e a M b b建模向导设置断面材料纵向螺栓图2.3.6 纵向连接螺栓编辑器对话框管片接头sn 环间螺栓环间接头2α1αsv∆ϕu∆innqτsqτ图2.3.7 纵向连接螺栓剪切模型其基本原理如下：I ． ⎭⎬⎫⎩⎨⎧∆∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎭⎬⎫⎩⎨⎧''v u K K sq nqsq nq ττ 式中：nq K —纵向连接螺栓周向刚度；sq K —纵向连接螺栓径向刚度。

注意：只有在错缝拼装的情况下，为了模拟错缝拼装效应，这两个参数才起作用。

2.4 设置断面建模向导设置断面用来输入隧洞的几何参数，弹出如下的隧洞基本几何参数对话框。

图2.4.1 隧洞基本几何参数对话框结果如下所示：图2.4.2 隧洞几何模型参数含义管片总数：一环管片的总数。

衬砌外直径D：输入衬砌外轮廓的直径，以毫米为单位。

1衬砌内直径D：输入衬砌内轮廓的直径，以毫米为单位。

2纵向螺栓数：输入每个管片上的纵向螺栓数。

θθ操作提示螺栓间夹角由程序自动计算。

在参数全部输入后，选择自动计算复选框，程序自动计算。

2.5 网格剖分建模向导网格剖分弹出如下对话框：图2..5.1 网格控制参数设置对话框单击“确定”，得到如下图所示的几何计算模型。

图2.5.2 隧洞网格剖分后计算模型2.6 围岩基本信息建模向导围岩基本信息弹出围岩基本信息对话框。

图2.6.1 地层信息对话框参数含义：考虑实际情况对围岩计算压力进行折减。

围岩压力折减系数i2.7 设置工况建模向导设置工况弹出荷载工况组合对话框，如图2.7.1所示。

图2.7.1 荷载组合对话框操作提示这里默认提供设计过程中往往必须计算的三种工况组合：1、运行期组合：围岩压力＋衬砌自重＋弹性抗力＋内水压力＋外水压力；2、检修期组合：围岩压力＋衬砌自重＋弹性抗力＋外水压力；3、施工期组合：围岩压力＋衬砌自重＋弹性抗力＋外水压力＋灌浆压力。

组合的原则是：计算荷载应根据基本荷载和特殊荷载同时存在的可能性，分别组合为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。

荷载组合应切合实际，如作为特殊荷载的地震荷载不应与其他特殊荷载组合；例如组合后有抵消其他荷载作用时，该荷载应选择较小值。

对不同控制工况应认真分析和选用不同的荷载组合，如发电引水隧洞检修工况的外水压力应考虑内水外渗对围岩渗流场的影响，即地下水位的变化，按运行后最高地下水位计算。

在衬砌结构计算中应采用各自的最不利组合情况，以保证衬砌结构在各种工况下的安全。

《水工钢筋混凝土结构设计规范》SDJ20-78规定按单一安全系数极限状态设计方法进行设计计算，故这里的分项系数全部取为1.0。

说明：在选择了旧规范后，分项系数全部默认为1，并且编辑框不可编辑（即呈灰色）；如果一旦选择新规范，则分项系数的值可以由用户输入，如下图所示：图2.7.2 荷载组合对话框2.8 地层弹簧概念：当隧道处于不同的地层之中，一般采用的方法是将隧道所处的地层参数均一化，如图2.8.2所示，本程序将这种处理方法称为单一地层法。

当隧道所处的地层参数相差很大时，这种处理方法会带来计算上的误差，可以采用不同地层施加不同地层参数的方法，如图2.8.3所示。

一般而言，水工隧洞可用单一地层法来处理，故这里选用单一地层法。

盾构隧道所处地层参数平均化图2.8.1 地层参数加权平均概念图地层抗力即是地层对地下结构的反作用力。

当地层抗力为零时，作用在衬砌上的荷载为静止荷载；当结构对地层产生挤压时为被动荷载，此时地层抗力为正；当结构背离地层有位移时，为主动荷载，此时地层抗力为负。

作用在衬砌上的初始静止荷载可由覆盖土层厚度或泰沙基公式给出。

局部弹簧与全周弹簧的差别在于反向地层力的施加，局部地层弹簧模式在地层与结构的脱离区不施加荷载而在全周地层模型中考虑到荷载的折减，施加反向的地层抗力。

局部地层弹簧模式全周地层弹簧模式图2.8.4 地层抗力作用模式图2.8.4给出了地层对结构反作用的局部弹簧和全周弹簧两种作用模式。

地层弹性抗力由下式给出：II ． n n n U K F ⋅=，s s s U K F ⋅=其中：III ． ⎩⎨⎧<≥=-+00n nn nn U K U K K ，⎩⎨⎧<≥=-+0s s s s s U K U K K式中：s n F F ,—为法向和切向的抗力；s n K K ,为相应的地层弹簧系数，且-+K K ,分别为被动区（压缩状态）和主动区（拉伸状态）的地层弹簧系数，对局部弹簧作用模式来说，设计中K赋为零值。