盾构隧道衬砌圆环内力计算实例(含命令流)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6
选取江心河床最底处为计算截面。此处，水位高出江底面
hw 22.7031m ，覆土层从
上到下由密实程度不一的粉细砂组成，其中隧道穿越粉细砂和砾砂层，并搁置在砾砂层上。 其详细地质截面图 5.2.1 所示。
图 5.2.1 计算截面地质图
2．荷载计算
由于覆土厚度为 H=12.5m≈1.2D，而计算松弛土压力的上限为 2.0D，偏安全起见，主动 荷载采用全覆土水土合算进行计算。 结构自重换算的均布荷载： g d 26 0.5 13KPa 结构自重产生的地基反力：
4 ○ 5 ○
进 入 前 处 理 器 。 单 击 Main Menu>Preprocessor。 画 点 。 执 行 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Kdypoint>In
Active CS 命 令 ， 设 置 关 键 点 1 作 为 圆 心 ， 输 入 坐 标 （ 0， 0） 。
执 行 Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool 命 令 ， 弹 出 MeshTool 对 话 框 。 在 Element Attributes 栏 选 择 Lines， 单 击 右 边 Set 按 钮 ， 弹 出 选 取 对 话 框 ， 选 中 L1、 L2、 L3 后 单 击 OK， 在 弹 出 的 对 话 框 里 为 三 段 线 分 配 单 元 属 性。 属 性 分 配 完 毕 ， 单 击 OK 回 到 MeshTool 对 话 框 ， 单 击 Size Controls 栏 下 Lines 右 边 的 Set 按 钮 ，为 线 的 网 格 划 分 设 置 单 元 尺 寸 控 制 参 数 。选 中 L1、L2、 L3 后 单 击 OK 弹 出 单 元 尺 寸 控 制 对 话 框 ， 如 图 5.1.12 所 示 ， 在 NDIV 栏 输 入 单 元 份 数 20，表 明 每 条 线 被 划 分 成 20 个 单 元 ，单 击 OK 后 回 到 MeshTool 对 话 框 ， 单 击 Mesh 按 钮 ， 则 网 格 划 分 完 毕 。 13 ○ 查看单元
截 面 惯 性 矩 ： IZZ=1*0.5*0.5*0.5/12 截 面 高 度 ： HEIGHT=0.5， 单 击 OK， 则 1 号 实 常 数 定 义 完 成 。 11 定 义 衬 砌 材 料 属 性 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 命 令 ， 弹 出 定 义 材 料 模 型 行 为 对 话 框 。选 择 Structural>Linear>Elastic>Isotropic, 在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 弹 性 模 量 EX=36e9,泊 松 比 PRXY=0.33，单 击 OK。再 选 择 Structural>Density,在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 密 度 DENS=2600。 12 ○ 单元网格划分
执 行 Main Menu>Preprocessor>Add/Edit/Delete 命 令 ， 弹 出 Real Constants 对 话 框 ， 单 击 Add 按 钮 ， 弹 出 Element Type for Real 对 话 框 ， 选 中 你 将 为 之 定 义 实 常 数 的 单 元 类 型 Beam3， 单 击 OK， 在 弹 出 的 对 话 框 里 依 次 输 入： 实 常 数 号 :No.=1 截 面 面 积 ： AREA=1*0.5
Pg g 13 40.8407 KPa
上部竖直荷载：
p1 rati Z i po hw w＝489.9617 KPa p0
(
为附加荷载)
水平荷载计算（按衬砌的轴线计算， e1 为上端集度， e 2 为下端集度） ：
e1 ( p1 rat t / 2) 247.4143KPa e2 [ p1 rat (t / 2 2 Rc )] 343.524 KPa
图 5.2.6
算例中，衬砌结构所承受的主动荷载为垂直线性荷载和水平线性荷载，计 算 时 需 要 将 其 转 化 为 节 点 荷 载 。假 使 单 元 ij 受 如 图 5.2.6 所 示 的 荷 载 作 用 。则 节点 i 和节点 j 的等效节点荷载可分别由如下的荷载阵列求出。
7 e1 3e 2 y j yi 20 Fxi 7 q 3 q 1 2 Fi F yi x j xi 20 M i 1 1 2 2 60 y j y i 3e1 2e 2 60 x j x i 3q1 2 q 2
图 5.2.6
图 5.2.7
整理节点坐标
按 照 公 式 用 Excel 将 各 等 效 节 点 荷 载 算 出 (因 弯 矩 值 较 小 而 将 其 略 ， 读者可 根 据 工 程 需 要 自 行 算 出 )。 其 结 果 如 表 5.2.1 所 示 。
表 5.2.1 等效节点荷载
节点号 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2 23 24
图 5.2.6 节 点 编 号 图
14 ○
加载
本例中，衬砌所承受的荷载分为主动压力与被动抗力。盾构法施工中，开 挖 与 架 设 衬 砌 几 乎 同 时 进 行 ，所 以 荷 载 来 不 及 释 放 ，全 部 作 用 在 衬 砌 结 构 上 形 成 主 动 压 力 ，这 在 荷 载 计 算 小 节 里 面 已 经 算 出 。在 主 动 荷 载 作 用 下 ，衬 砌 结 构 的一部分将发生向着围岩方向的变形， 具有一定刚度的围岩就会对衬砌结构 产 生 反 作 用 力 来 抵 制 它 的 变 形 ，即 为 被 动 抗 力 。这 种 被 动 抗 力 的 施 加 通 过 弹 簧 支撑来体现的。 a． 计 算 主 动 压 力 产 生 的 等 效 节 点 荷 载 。
3e1 7 e 2 y j yi 20 Fxj 3q1 7 q 2 F j F yj x j xi 20 M j 1 1 2 2 60 y j y i 2e1 3e 2 60 x j x i 2 q1 3q 2
图 5.2.3
图 5.2.4
6 ○
画弧
执 行 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs> By Cent&Radius 命 令 ,先 为 圆 弧 选 定 圆 心 ， 在 如 图 5.2.3 对 话 框 里 输 入 圆 弧 的 起 点 坐 标 （ 0， 4.85） ， OK 后 出 现 如 图 5.2.4 所 示 的 对 话 框 ， 在 ARC 栏 输 入 圆 弧 的 圆 心 角 ， 在 NSEG 栏 输 入 编 号 1。 7 ○ 选择学科范围
3．荷载简图
把衬砌结构划分为 60 个单元， 即每 6 度圆心角对应一个单元， 结构采用全周弹簧模型。 约束条件：因结构对称，荷载对称，结构上下点无水平位移，所以在圆形结构的最下点 施加水平方向约束 u＝0 。荷载简图如图 5.2.2 所示。
图 5.2.2 荷载简图
4．内力计算
使 用 Ansys10.0 计 算 主 体 结 构 内 力 。 用 ANSYS 分 析 圆 形 结 构 和 拱 形 结 构 的 GUI 操 作 与 上 节 讲 的 矩 形 结 构 大 体 相 似 ， 故 这 两 节 的 内 容 从 简 。
执 行 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 命 令 ， 在 出 现 的 对 话 框 中 将 Elem/Attrib numbering 选 项 选 为 Elements numbers,单 击 OK。 执 行 Utility Menu>Plot>Elements 命 令 ，屏 幕 中 将 显 示 出 网 格 划 分 所 得 单 元 和 各 自 单 元 号 ， 如 图 5.2.5 所 示 。
圆形结构实例ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1．工程概况
某过长江地铁盾构隧道为单圆双线隧道，外经为 10.2m，衬砌厚度为 0.5m，衬砌管片混 凝土等级为 C60，重度 ＝26 KN / m ，弹性模量 E＝3.6 10 Pa 。围岩为Ⅵ级围岩，地基
3
10
反力系数 K 21 10 Pa / m ，土的侧压力系数 0.5 。
具体操作步骤为：
通过列表查询节点坐标
执 行 Utility Menu>List>Node 命 令 ， 弹 出 如 图 5.2.7 对 话 框 ， 选 择 Coordinates only 单 选 框 ， 查询节点坐标。 生成的节点坐标另存为文本文件 （注 意节点列表上节点坐标的位置一定要与节点图上节点的位置对应，确保正确计 算 等 效 节 点 荷 载 ） ， 如 图 5.2.8 所 示 。
图 5.2.5
网格划分后单元及单元编号图
查 看 节 点 ，执 行 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 命 令 ，在 出 现 的 对 话 框 中 将 Node numbering 选 项 选 择 ON 状 态 ， 并 将 Elem/Attrib numbering 选 项 选 为 No numbering。 执 行 Utility Menu>Plot>Elements 命 令 ， 得 到 如 图 5.2.6 所示的节点编号图。 将 划 分 网 格 后 的 文 件 存 盘 ， 执 行 Utility Menu>File>Save as 命 令 ， 保 存 文 件 为 examplesecond.db。
（1）GUI 操作
1 ○ 2 ○ 3 ○ 启 动 ANSYS， 执 行 Utility Menu>File>Clear&Start New 命 令 ， 清 除 当 创 建 工 作 文 件 名 。 执 行 Utility Menu>File>Chang Jobname 命 令 ,输 入 创 建 工 作 标 题 。 执 行 Utility Menu>File>Chang Title 命 令 ， 输 入 标 前数据库，同时开始新一轮分析。 工 作 名 examplesecond， 同 时 选 取 New log and error files 单 选 框 。 题 名 Circular Structure。
执 行 Main Menu>Preferences 命 令 ,选 择 Structural(结 构 )分 析 类 型 。 8 定义单元类型 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 命 令 ,单 击 Add 按 钮 ， 打 开 单 元 类 型 库 对 话 框 。 选 择 Beam,2D elastic 3 单 元 ， 在 Element type reference number 栏 中 确 定 单 元 号 1， 单 击 OK， 为 圆 形 衬 砌 结 构 定 义 Beam3 的梁单元类型完成。 9 定义截面 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Sections>beam>Common Sections 命 令 ， 依 次 输 入 截 面 号 ID 为 1， 截 面 形 状 Sub-Type 为 矩 形 ， 平 移 截 面 节 点 的 位 置 Offset To 到 Centroid(质 心 )， 截 面 宽 度 1m， 高 度 0.5m， 则 截 面 1 定 义 完 成 。 10 ○ 定义实常数
选取江心河床最底处为计算截面。此处，水位高出江底面
hw 22.7031m ，覆土层从
上到下由密实程度不一的粉细砂组成，其中隧道穿越粉细砂和砾砂层，并搁置在砾砂层上。 其详细地质截面图 5.2.1 所示。
图 5.2.1 计算截面地质图
2．荷载计算
由于覆土厚度为 H=12.5m≈1.2D，而计算松弛土压力的上限为 2.0D，偏安全起见，主动 荷载采用全覆土水土合算进行计算。 结构自重换算的均布荷载： g d 26 0.5 13KPa 结构自重产生的地基反力：
4 ○ 5 ○
进 入 前 处 理 器 。 单 击 Main Menu>Preprocessor。 画 点 。 执 行 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Kdypoint>In
Active CS 命 令 ， 设 置 关 键 点 1 作 为 圆 心 ， 输 入 坐 标 （ 0， 0） 。
执 行 Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool 命 令 ， 弹 出 MeshTool 对 话 框 。 在 Element Attributes 栏 选 择 Lines， 单 击 右 边 Set 按 钮 ， 弹 出 选 取 对 话 框 ， 选 中 L1、 L2、 L3 后 单 击 OK， 在 弹 出 的 对 话 框 里 为 三 段 线 分 配 单 元 属 性。 属 性 分 配 完 毕 ， 单 击 OK 回 到 MeshTool 对 话 框 ， 单 击 Size Controls 栏 下 Lines 右 边 的 Set 按 钮 ，为 线 的 网 格 划 分 设 置 单 元 尺 寸 控 制 参 数 。选 中 L1、L2、 L3 后 单 击 OK 弹 出 单 元 尺 寸 控 制 对 话 框 ， 如 图 5.1.12 所 示 ， 在 NDIV 栏 输 入 单 元 份 数 20，表 明 每 条 线 被 划 分 成 20 个 单 元 ，单 击 OK 后 回 到 MeshTool 对 话 框 ， 单 击 Mesh 按 钮 ， 则 网 格 划 分 完 毕 。 13 ○ 查看单元
截 面 惯 性 矩 ： IZZ=1*0.5*0.5*0.5/12 截 面 高 度 ： HEIGHT=0.5， 单 击 OK， 则 1 号 实 常 数 定 义 完 成 。 11 定 义 衬 砌 材 料 属 性 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 命 令 ， 弹 出 定 义 材 料 模 型 行 为 对 话 框 。选 择 Structural>Linear>Elastic>Isotropic, 在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 弹 性 模 量 EX=36e9,泊 松 比 PRXY=0.33，单 击 OK。再 选 择 Structural>Density,在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 密 度 DENS=2600。 12 ○ 单元网格划分
执 行 Main Menu>Preprocessor>Add/Edit/Delete 命 令 ， 弹 出 Real Constants 对 话 框 ， 单 击 Add 按 钮 ， 弹 出 Element Type for Real 对 话 框 ， 选 中 你 将 为 之 定 义 实 常 数 的 单 元 类 型 Beam3， 单 击 OK， 在 弹 出 的 对 话 框 里 依 次 输 入： 实 常 数 号 :No.=1 截 面 面 积 ： AREA=1*0.5
Pg g 13 40.8407 KPa
上部竖直荷载：
p1 rati Z i po hw w＝489.9617 KPa p0
(
为附加荷载)
水平荷载计算（按衬砌的轴线计算， e1 为上端集度， e 2 为下端集度） ：
e1 ( p1 rat t / 2) 247.4143KPa e2 [ p1 rat (t / 2 2 Rc )] 343.524 KPa
图 5.2.6
算例中，衬砌结构所承受的主动荷载为垂直线性荷载和水平线性荷载，计 算 时 需 要 将 其 转 化 为 节 点 荷 载 。假 使 单 元 ij 受 如 图 5.2.6 所 示 的 荷 载 作 用 。则 节点 i 和节点 j 的等效节点荷载可分别由如下的荷载阵列求出。
7 e1 3e 2 y j yi 20 Fxi 7 q 3 q 1 2 Fi F yi x j xi 20 M i 1 1 2 2 60 y j y i 3e1 2e 2 60 x j x i 3q1 2 q 2
图 5.2.6
图 5.2.7
整理节点坐标
按 照 公 式 用 Excel 将 各 等 效 节 点 荷 载 算 出 (因 弯 矩 值 较 小 而 将 其 略 ， 读者可 根 据 工 程 需 要 自 行 算 出 )。 其 结 果 如 表 5.2.1 所 示 。
表 5.2.1 等效节点荷载
节点号 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2 23 24
图 5.2.6 节 点 编 号 图
14 ○
加载
本例中，衬砌所承受的荷载分为主动压力与被动抗力。盾构法施工中，开 挖 与 架 设 衬 砌 几 乎 同 时 进 行 ，所 以 荷 载 来 不 及 释 放 ，全 部 作 用 在 衬 砌 结 构 上 形 成 主 动 压 力 ，这 在 荷 载 计 算 小 节 里 面 已 经 算 出 。在 主 动 荷 载 作 用 下 ，衬 砌 结 构 的一部分将发生向着围岩方向的变形， 具有一定刚度的围岩就会对衬砌结构 产 生 反 作 用 力 来 抵 制 它 的 变 形 ，即 为 被 动 抗 力 。这 种 被 动 抗 力 的 施 加 通 过 弹 簧 支撑来体现的。 a． 计 算 主 动 压 力 产 生 的 等 效 节 点 荷 载 。
3e1 7 e 2 y j yi 20 Fxj 3q1 7 q 2 F j F yj x j xi 20 M j 1 1 2 2 60 y j y i 2e1 3e 2 60 x j x i 2 q1 3q 2
图 5.2.3
图 5.2.4
6 ○
画弧
执 行 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs> By Cent&Radius 命 令 ,先 为 圆 弧 选 定 圆 心 ， 在 如 图 5.2.3 对 话 框 里 输 入 圆 弧 的 起 点 坐 标 （ 0， 4.85） ， OK 后 出 现 如 图 5.2.4 所 示 的 对 话 框 ， 在 ARC 栏 输 入 圆 弧 的 圆 心 角 ， 在 NSEG 栏 输 入 编 号 1。 7 ○ 选择学科范围
3．荷载简图
把衬砌结构划分为 60 个单元， 即每 6 度圆心角对应一个单元， 结构采用全周弹簧模型。 约束条件：因结构对称，荷载对称，结构上下点无水平位移，所以在圆形结构的最下点 施加水平方向约束 u＝0 。荷载简图如图 5.2.2 所示。
图 5.2.2 荷载简图
4．内力计算
使 用 Ansys10.0 计 算 主 体 结 构 内 力 。 用 ANSYS 分 析 圆 形 结 构 和 拱 形 结 构 的 GUI 操 作 与 上 节 讲 的 矩 形 结 构 大 体 相 似 ， 故 这 两 节 的 内 容 从 简 。
执 行 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 命 令 ， 在 出 现 的 对 话 框 中 将 Elem/Attrib numbering 选 项 选 为 Elements numbers,单 击 OK。 执 行 Utility Menu>Plot>Elements 命 令 ，屏 幕 中 将 显 示 出 网 格 划 分 所 得 单 元 和 各 自 单 元 号 ， 如 图 5.2.5 所 示 。
圆形结构实例ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1．工程概况
某过长江地铁盾构隧道为单圆双线隧道，外经为 10.2m，衬砌厚度为 0.5m，衬砌管片混 凝土等级为 C60，重度 ＝26 KN / m ，弹性模量 E＝3.6 10 Pa 。围岩为Ⅵ级围岩，地基
3
10
反力系数 K 21 10 Pa / m ，土的侧压力系数 0.5 。
具体操作步骤为：
通过列表查询节点坐标
执 行 Utility Menu>List>Node 命 令 ， 弹 出 如 图 5.2.7 对 话 框 ， 选 择 Coordinates only 单 选 框 ， 查询节点坐标。 生成的节点坐标另存为文本文件 （注 意节点列表上节点坐标的位置一定要与节点图上节点的位置对应，确保正确计 算 等 效 节 点 荷 载 ） ， 如 图 5.2.8 所 示 。
图 5.2.5
网格划分后单元及单元编号图
查 看 节 点 ，执 行 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 命 令 ，在 出 现 的 对 话 框 中 将 Node numbering 选 项 选 择 ON 状 态 ， 并 将 Elem/Attrib numbering 选 项 选 为 No numbering。 执 行 Utility Menu>Plot>Elements 命 令 ， 得 到 如 图 5.2.6 所示的节点编号图。 将 划 分 网 格 后 的 文 件 存 盘 ， 执 行 Utility Menu>File>Save as 命 令 ， 保 存 文 件 为 examplesecond.db。
（1）GUI 操作
1 ○ 2 ○ 3 ○ 启 动 ANSYS， 执 行 Utility Menu>File>Clear&Start New 命 令 ， 清 除 当 创 建 工 作 文 件 名 。 执 行 Utility Menu>File>Chang Jobname 命 令 ,输 入 创 建 工 作 标 题 。 执 行 Utility Menu>File>Chang Title 命 令 ， 输 入 标 前数据库，同时开始新一轮分析。 工 作 名 examplesecond， 同 时 选 取 New log and error files 单 选 框 。 题 名 Circular Structure。
执 行 Main Menu>Preferences 命 令 ,选 择 Structural(结 构 )分 析 类 型 。 8 定义单元类型 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 命 令 ,单 击 Add 按 钮 ， 打 开 单 元 类 型 库 对 话 框 。 选 择 Beam,2D elastic 3 单 元 ， 在 Element type reference number 栏 中 确 定 单 元 号 1， 单 击 OK， 为 圆 形 衬 砌 结 构 定 义 Beam3 的梁单元类型完成。 9 定义截面 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Sections>beam>Common Sections 命 令 ， 依 次 输 入 截 面 号 ID 为 1， 截 面 形 状 Sub-Type 为 矩 形 ， 平 移 截 面 节 点 的 位 置 Offset To 到 Centroid(质 心 )， 截 面 宽 度 1m， 高 度 0.5m， 则 截 面 1 定 义 完 成 。 10 ○ 定义实常数