地铁盾构隧道掘进过程ANSYS数值模拟分析Word格式.docx
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MP,PRXY,2,0.30
MP,DENS,2,2160
MP,EX,3,500E6
第三层土层材料参数
MP,PRXY,3,0.33
MP,DENS,3,2160
管片材料参数,管片衬砌按各向同性计算
设置局部柱坐标系原点坐标(0,0,0)
MP,PRXY,4,0.2
MP,DENS,4,2500
注浆层,参数按水泥土取值
MP,EX,5,1E9
MP,PRXY,5,0.2
MP,DENS,5,2100
建立平面内模型并划分单元
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!
设置局部直角坐标系原点坐标(0,0,0)
LOCAL,12,1,0,0,0
RECTNG,4.5,31.5,0,4.5
NUMMRG,ALL
NUMCMP,ALL
戊ij分单元
MSHAPE,0,2D!
采用四边形单元划分网格
MESHKEY,1!
映射网格划分
TYPE,2
LESIZE,1,,,6
LESIZE,2,,,6
LESIZE,3,,,6
AMESH,1
LESIZE,4,,,6
LESIZE,8,,,2
LESIZE,9,,,2
AMESH,2
LESIZE,5,,,6
LESIZE,10,,,1
LESIZE,11,,,1
AMESH,3
LESIZE,12,,,3
LESIZE,13,,,3
LESIZE,14,,,8,2
LESIZE,16,,,8,0.5
AMAP,4,7,6,8,10
AMAP,5,9,8,11,12
利用对称性,得到下半部分模型
ARSYM,Y,ALL!
通过坐标轴对称建立面
ALLSEL,ALL
建立隧道下方土层模型
RECTNG,0,4.5,-4.5,-26
RECTNG,4.5,31.5,-4.5,-26
LESIZE,28,,,3
LESIZE,29,,,5,0.5
LESIZE,30,,,5,2
LESIZE,32,,,5,0.5
LESIZE,31,,,8,2
ASEL,S,AREA,,11,12,1
AMESH,ALL
建立隧道土方土层模型
RECTNG,0,4.5,4.5,15
RECTNG,4.5,31.5,4.5,15
LESIZE,34,,,3
LSEL,S,LINE,,35,36,1
LSEL,A,LINE,,33
LESIZE,ALL,,,4
LSEL,S,LINE,,37
LESIZE,37,,,8,0.5
AMESH,13
AMESH,14
利用对称性得到平面内的全部模型
ARSYM,X,ALL
建立体模型。
将划分好的平面模型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
K,,0,0,-3*l
*ENDDO
沿着这些点建立线,便于后来体的拉伸
L,3,38
*DO,I,1,19
L,37+l,38+l
LESIZE,64+I,,,1
拉伸,拉伸后建立完整的模型
TYPE,1
MAT,1
ESYS,11!
定义单元坐标系
EXT0PT,ACLEAR,1
CSYS,12!
激活局部柱坐标系
ASEL,S,LOC,Z,-3*(l-1)
VDRAG,ALL,,,,,,64+I
ENDDO
分层赋予土体材料参数。
拉伸成体模型时为了方便,统一将所有的材料参数号都设置为1而该实例中考虑了土层特性的分层,如前面建立模型是将土层设置为3种类型的土体,因而需将不同地层赋予不同性质类型的材料参数
赋予隧道所在地层的材料参数
CSYS,0!
激活整体坐标系
NSEL,S,LOC,Y,-10.5,5!
选择二号地层内所在节点
ESLN,S
MPCHG,2,ALL
赋予基岩材料参数
NSEL,S,LOC,Y,-11,-26
MPCHG,3,ALL
加载与求解
施加边界条件,并进行求解设置
/SOLU
/VIEW,1,-1,0.5,1
/REPLOT
EPLOT
NLGEOM,ON
NROPT,FULL
PRED,ON,,ON
OUTRES,ALL,LAST!
控制写入数据库和结果文件的结果数据
NSEL,S,LOCX-31.5
D,ALL,UX
NSEL,S,LOC,X,31.5
NSEL,S,LOC,Y,-26
D,ALL,UY
NSEL,S,LOC,Z,0
NSEL,A,LOC,Z,-60
D,ALL,UZ
求解自重应力场
TIME,1
时间步(荷载步结束的时间)
NSUBST,10
子步数和时间步长
SOLVE
为了养成良好的习惯,自重应力场求解结束后,需对结果进行初步检查,判断准确无误后在进行下面的计算。
进入后处理器,分别绘制丫方向应力云图和Y方向位移云图。
/POST1
PLNSOL,S,Y,0,1
PLNSOL,U,Y,0,1
ANSY5
隠j]
22:
31:
21
ELOdJD・1
AM5Y5
:
;
:
.
^303)15②32:
55盘畑1
第一步开挖,进尺3m。
在进行开挖计算时首先区分两个概念,
一个是开挖步,另一个是计算步。
一个开挖步也可以认为是一个循环进尺。
在计算实例中,第1-12步开挖,每步掘进3m,第13步余下
24m。
计算中一个开挖步包含多个计算步:
第一个计算步模拟开挖、施加盾尾注浆压力;
第二个计算步模拟管片衬砌和注浆硬化。
第一个计算步的命令流如下:
*****第一步开挖,第一个计算步******
RESCONTROL,FILE_SUMMARY!
列表显示当前文件中的荷
载步和荷载子步的信息
ANTYPE,,REST!
重新启动介绍
TIME,2
NSUBST,10,1000,5
DELTIM,0.1,0.001,0.2
WPCSYS,-1!
将工作平面转移到当前局部坐标系
VSEL,S,LOC,X,0,3.2
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
VPOLT
ESLV,S
EKILL,ALL
ASEL,S,LOC,X,0,3.2
ASEL,R,LOC,Z,-3
SFA,ALL,1,PRES,0.3E6!
施加掌子面顶进压力
ASEL,S,LOC,X,3.2
ASEL,R,LOC,乙0,-2.9
SFA,ALL,1,PRES,0.15E6!
施加注浆压力
ALLSEL,ALL
求解完成后,继续进行第二计算步的计算,对于隧道开挖模拟的重启动,需要注意之前第一步计算时杀死的单元,以及施加的顶进荷载和注浆压力在第二步计算时需要重新施加;
单元的生死命令需要重新定义。
命令流如下:
RESCONTROL,FILE_SUMMARY
ANTYPE,,REST
TIME,3
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
MPCHG,5,ALL!
施做注浆层
ASEL,S,LOC,X,0,3.19
ASEL,R,LOC,Z,-3
SFA,ALL,1,PRES,0.3E6
ASEL,R,LOC,Z,0,-2.9
SFA,ALL,1,PRES,0
进行循环开挖。
由于隧道开挖计算采用的是重启动分析,因此所有的参数和变量将重新回到初始值,因而不能采用*DO循环的方式来做,而由前面第一步开挖的求解可以看出,许多代码可以重用,将这些代码编成MAC文件,可以提高代码的简洁性。
将第一步开挖,第一计算步中的命令流改写成以STEP(开挖步)为参数的命令流形式,并将其文件命名为EXCA1.MAC,代码如下:
******************EXCA1imaC***************
*CREATE,'
XCA1'
MAC'
'
TIME,2*STEP!
指定时间步
RESCONTROL,FILE_SUMMARY
最小荷载步
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7!
选择注浆加固区的体
VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)!
选择0到-3范围注浆加固区体
ESLV,S!
选择与体相关的单元
将材料属性改为注浆加固区材料属性
VSEL,S,LOC,X,0,3.2!
选择体
VSEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1),-3*STEP!
选择位置在-3到-6范围内的体
EKILL,ALL!
杀死单元,向前开挖土体
ASEL,S,LOC,X,0,3.19!
选择面
ASEL,S,LOC,Z,-3*(STEP-1)
SFA,ALL,1,PRES,0!
将前一步计算时施加的注浆压力取消
ASEL,S,LOC,X,0,3.19
ASEL,R,LOC,Z,-3*STEP
SFA,ALL,1,PRES,0.3E6!
施加盾构机顶进压力
ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)-0.1,-3*STEP+0.1
SFA,ALL,1,PRES,0.15E6!
*END
同样将第一步开挖,第二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,并将其文件命名为EXCA2.MAC,代码如下
*******************EXCA2IMAC************
XCA2'
TIME,2*STEP+1
NSUBST,10,1000,5!
设置荷载步,荷载子步,最大荷载步,
WPCSYS,-1
VSEL,S丄OC,X,0,2
VSEL,R,LOC,Z,0,-3*STEP
VSEL,S,LOC,X,2,2.3
MPCHG,4,ALL
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7
MPCHG,5,ALL
ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)-0.1,-3*STEP+1
************
^第2^步开*************
STEP=2
EXCA1.MAC
调用名为EXCA1的宏文件
EXCA2.MAC
调用名为EXCA2的宏文件
******************
|第3^步开********************
STEP=3
*******************
|第4^步开***************
STEP=4
^第5^步开********************
STEP=5
***************
|第6^步开*********************
STEP=6
*********************
^第7^步开********************
STEP=7
|第8^步开********************
STEP=8
|第9^步开********************
STEP=9
STEP=10
第10步开挖
********************
STEP=11
第11步开挖
STEP=12
**********
第13步开挖,开挖余下来的24m****************
STEP=13
TIME,2*STEP
CSYS,12
VSEL,S,LOC,X,0,2
VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)
VSEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1),-60
ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)
ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)-0.1,-60
SFA,ALL,1,PRES,0.15E6
开挖的最后一个计算步**************
VSEL,R,LOC,Z,0,-60
ASEL,S丄OC,X,3.2
计算结果分析
1.地层位移分析
本实例中分析地层位移仍然是相对于自重固结下的位移,因而分
析地层位移时需采用命令流编写宏文件,对所关心的计算步进行工况
组合运算,才能获得相对位移
LCDEF,1,1
将第一计算步结果疋义为何载工况1
LCDEF,2,3
将第N计算步的结果定义为荷载工况N
LCASE,N
读入荷载工况2
***************loadcasemac
****************
LCOPER,SUB,1!
将荷载工况2减去荷载工况1
第1步开挖引起的地层位移*************
N=3
LOADCASE.MAC
第2步开挖弓1起的地层位移*************
/P0ST1
N=5
**********第3步开挖引起的地层位移
N=7
**********第4步开挖引起的地层位移
N=9
**********第5步开挖引起的地层位移
N=11
**********第6步开挖引起的地层位移
*************
N=13
**********第7步开挖引起的地层位移
N=15
**********第8步开挖引起的地层位移
N=17
**********第9步开挖引起的地层位移
N=19
**********第10步开挖引起的地层位移
N=21
**********第ii步开挖引起的地层位移
N=23
**********第12步开挖引起的地层位移
N=25
**********第13步开挖引起的地层位移
N=27
上1皿
.XT
..flJTllS
叫畑严
-甌.
图1.1第1步开挖引起的地层位移(m)图1.2第2步开挖引起的地层位移(m)
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-・Dfl宜J..血砒目-”盹]画忙皿b机卿‘!
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一泌-週-吨-.嘶帧.嘶逊嘶叫.呗
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ANSYS
KLU
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M轴皿
124B"
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图1.
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