第7章 高速公路连拱隧道二次衬砌结构设计力学分析

1、7. 1二次衬砌结构力学分析过程下面先来确定分析标题。/TITLE,Mechanical analysis on permanent lining of twin arch tunnel in Express-way!分析标 题/NOPR ! 菜单过滤设置/PMETH,OFF,0KEYW,PR_SET,1KEYW,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, Structural1. 材料、实常数和单元类型定义/PREP7 ! 进入前处理器ET,1,BE

2、AM3 ! 设置梁单元类型,模拟二次衬砌ET,2, COMBIN14 ! 设置弹簧单元类型,模拟衬砌与地层相互作用 ET,3,PLANE42 ! 设置平面单元类型,模拟中墙KEYOPT,3,1,0KEYOPT,3,2,0KEYOPT,3,3,2 ! 设置平面单元为平面应变模式KEYOPT,3,5,0KEYOPT,3,6,0R,1,0.5,0.0104167,0.5, , , , !设置梁单元几何常数,单位为 mR,2,30e6, , , ! 设置弹簧单元几何常数,单位为 PaMPTEMP, ! 设置材料模型MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,28e9 ! 输入弹性模量,单位为 PaMP

3、DATA,PRXY,1,0.2 !输入泊松比MPTEMP, ! 设置材料模型MPTEMP,1,0MPDATA,DENS,1,2500 !输入密度,单位为 kgSAVE ! 保存数据库2. 建立几何模型(1创建关键点。K,100,0,0,0, ! 通过编号和坐标创建关键点K,1,12.0696,-2.0434,0, !以下关键点号小于 10的为右隧道轮廓线上的点K,11,-12.0696,-2.0434,0,K,2,6.89,6.05,0,K,12,-6.89,6.05,0,K,3,1.1394,1.8796,0,K,13,-1.1394,1.8796,0,K,4,0.84,0,0,K,14,-

4、0.84,0,0,K,5,1.3318,-2.3893,0,K,15,-1.3318,-2.3893,0,K,6,6.89,-3.4025,0,K,16,-6.89,-3.4025,0, !以上关键点号大于 10的为左隧道轮廓线上的点 K,101,6.89,0,0, !右隧道中心K,102,-6.89,0,0, ! 左隧道中心NUMMRG,ALL, , , ,LOW !合并所有元素NUMCMP,ALL !压缩所有元素的编号K,16,6.89,12.35,0, ! 右隧道仰拱的圆心K,17,-6.89,12.35,0, !左隧道仰拱的圆心SAVE ! 保存数据(2创建左右隧道轮廓线。LSTR,

5、3, 9 ! 通过两个关键点创建直线LSTR, 4, 10LSTR, 5, 11 ! 以上三条线为中墙上的水平直线Larc,6,1,16,15.75 ! 以上为右隧道轮廓线的绘制Larc,12,11,17,15.75 ! 以上为左隧道轮廓线的绘制NUMMRG,ALL, , , ,LOW !合并所有元素NUMCMP,ALL !压缩所有元素的编号SAVE ! 保存数据(3创建中墙面。al,1,10,2,6 !通过 4条线创建面al,2,9,3,7SAVE ! 保存数据,生成的面、线和关键点,如图 7-3所示。 3. 创建弹簧节点所在的轮廓线(1创建关键点。K,18,-0.1889,2.1902,0

6、, ! 通过编号和坐标创建关键点K,21,0.1889,2.1902,0,K,19,-13.084,-3.0296,0,K,22,13.084,-3.0296,0,K,20,-0.9879,-3.325,0,K,23,0.9879,-3.325,0,K,24,6.89,7.05,0,K,25,-6.89,7.05,0,K,26,1.1394,2.8796,0,K,27,-1.1394,2.8796,0,K,28,1.3318,-3.3893,0,K,29,-1.3318,-3.3893,0,SAVE ! 保存数据(2创建左右隧道弹簧节点轮廓线。Larc,19,20,17,16.75 ! 以上为

7、左隧道弹簧节点轮廓线的绘制LSTR, 26, 27LSTR, 28, 29NUMMRG,ALL, , , ,LOW ! 合并所有元素NUMCMP,ALL ! 压缩所有元素的编号GPLOT ! 显示所有元素SAVE ! 保存数据4. 单元网格划分(1设置单元大小,如图 7-4所示。lsel,s,1,3,1 ! 选择线 1到 3lsel,a,22,23,1 ! 再选择线 22和 23LESIZE,all, , ,6, , , , ,1 ! 设置单元大小 , 所有选择的线被划分成 6个单元 Allsel ! 选择所有元素lsel,s,6,7,1 ! 选择线 6和 7lsel,a,9,10,1 !再选

8、择线 9和 10LESIZE,all, , ,4, , , , ,1 ! 设置单元大小 , 所有选择的线被划分成 4个单元 Allsel ! 选择所有元素lsel,s,4,5,1 ! 选择线 4和 5lsel,a,11,15,1 ! 再选择线 11和 15lsel,a,8, , ! 再选择线 8LESIZE,all,1 , , , , , , ,1 ! 设置单元大小 , 所有选择的线被划分 1.0m 长的单元 Allsel ! 选择所有元素lsel,s,17,19,2 !选择线 17和 19LESIZE,all, , ,8, , , , ,1 ! 设置单元大小 , 所有选择的线被划分成 8个单

9、元 Allsel ! 选择所有元素lsel,s,16,18,2 ! 选择线 16和 18lsel,a,20,21,1 ! 再选择线 20和 21LESIZE,all, , ,12, , , , ,1 ! 设置单元大小 , 所有选择的线被划分成 12个单元 /PNUM,LINE,1 ! 显示线/PNUM,ELEM,0 ! 显示编号/REPLOT ! 重新显示Lplot ! 显示线SAVE ! 保存数据(2划分单元,其单元图如图 7-5所示。TYPE, 1 ! 设置将要创建单元的类型,二次衬砌MAT, 1 ! 设置将要创建单元的材料REAL, 1 ! 设置将要创建单元的几何常数lsel,u,1,3

10、,1 ! 不选择线 13lmesh, all ! 对所有的线进行单元划分TYPE, 3 !设置将要创建单元的类型,中墙MAT, 1 ! 设置将要创建单元的材料REAL, 1 !设置将要创建单元的几何常数amesh,1,2,1 ! 划分面 1和面 2NUMMRG,ALL, , , ,LOW ! 合并所有元素NUMCMP,ALL !压缩所有元素的编号/PNUM,KP,0 ! 以下为显示单元颜色/PNUM,ELEM,1/REPLOT ! 重新显示Eplot !显示单元SAVE ! 保存数据(3创建弹簧单元,加了弹簧单元的单元网格如图 7-6所示。TYPE, 2 ! 设置将要创建单元的类型MAT, 1

11、 ! 设置将要创建单元的材料REAL, 2 !设置将要创建单元的几何常数E,36,155 ! 通过单元的两个节点创建弹簧单元 ! 依次继续直到所有的弹簧单元创建完成,其节点的编号如图 7-7所示。 TYPE, 1 !设置将要创建单元的类型MAT, 1 ! 设置将要创建单元的材料REAL, 1 !设置将要创建单元的几何常数LCLEAR,16,23,1 ! 清除线 16到 23上的所有单元ALLSEL,ALL ! 选择所有元素NUMMRG,ALL, , , ,LOW !合并所有元素NUMCMP,ALL !压缩所有元素的编号EPLOT ! 显示单元/AUTO,1 ! 图形最大化/REP,FAST !

12、 快速重新绘制Finish ! 返回 Main Menu 主菜单SAVE ! 保存数据7.1.2 加 载 与 求 解1. 加载(1对四周各节点施加“ Ux ”和“ Uy ”两个方向的约束。/SOL ! 进入求解器FLST,2,76,1,ORDE,10 !选择要施加约束的节点,共 76个FITEM,2,81FITEM,2,-93FITEM,2,95FITEM,2,-101FITEM,2,103FITEM,2,-113FITEM,2,115FITEM,2,-134FITEM,2,136FITEM,2,-160!*/GOD,P51X, ,0, , , ,UX,UY, , , , ! 在“ Ux ”和

13、“ Uy ”两个方向的施加约束(2施加重力加速度。ACEL,0,10,0, ! 在 Y 方向施加重力加速度Save ! 保存数据(4 节点力的计算。 具体的计算公式如第 3.3.3小节中介绍的等效节点荷载计算式, 本实例采用 EXCEL 电子表格进行计算。FLST,5,8,4,ORDE,5 !原则节点所在的 8条线,左右隧道各 4条FITEM,5,4FITEM,5,-5FITEM,5,8FITEM,5,11FITEM,5,-15LSEL,S, , ,P51X ! 选择线NSLL,R,1 !选择线上的节点/PNUM,KP,0/PNUM,LINE,0/PNUM,AREA,0/PNUM,VOLU,0

14、/PNUM,NODE,1 ! 显示节点编号设置/PNUM,TABN,0/PNUM,SVAL,0/NUMBER,0!*/PNUM,ELEM,1/REPLOT!*NPLOT ! 显示节点NLIST,ALL, , , ,NODE,NODE,NODE ! 列出节点坐标SAVE ! 保存数据(4在节点上施加集中力,加上荷载和位移边界条件后的几何模型如图 7-8所示。 f, 65 ,fx, 18967.5 ! 在节点上施加 X 方向集中力f, 66 ,fx, 33795f, 67 ,fx, 25455f, 69 ,fx, 8520 ! 以上为右隧道下部左侧节点上施加 X 方向集中力f, 30 ,fx, 0

15、f, 31 ,fx, -19125f, 32 ,fx, -26670f, 33 ,fx, -34125f, 34 ,fx, -41475f, 3 ,fx, -135612.75 ! 以上为右隧道下部右侧节点上施加 X 方向集中力f, 7 ,fx, -126435f, 9 ,fx, -103725f, 11 ,fx, -71400f, 12 ,fx, -52530f, 13 ,fx, -32437.5 ! 以上为右隧道上部右侧节点上施加 X 方向集中力f, 2 ,fx, 0f, 17 ,fx, 64275f, 19 ,fx, 100140f, 20 ,fx, 114585f, 21 ,fx, 6

16、0570 ! 以上为右隧道上部左侧节点上施加 X 方向集中力f, 46 ,fx, -60570f, 47 ,fx, -114585f, 48 ,fx, -100140f, 50 ,fx, -64275f, 52 ,fx, -22147.5 ! 以上为左隧道上部右侧节点上施加 X 方向集中力f, 45 ,fx, 0f, 55 ,fx, 52530f, 56 ,fx, 71400f, 58 ,fx, 103725f, 60 ,fx, 126435f, 72 ,fx, 41475f, 73 ,fx, 34125f, 74 ,fx, 26670f, 75 ,fx, 19125 ! 以上为左隧道下部左侧

17、节点上施加 X 方向集中力 f, 70 ,fx, 0f, 76 ,fx, -8520f, 78 ,fx, -25455f, 79 ,fx, -33795f, 80 ,fx, -18967.5 ! 以上为右隧道下部右侧节点上施加 X 方向集中力 f, 65 ,fy, 109464 ! 在节点上施加 Y 方向集中力f, 66 ,fy, 220548f, 67 ,fy, 223392f, 68 ,fy, 225444f, 69 ,fy, 226680 ! 以上为右隧道下部左侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 30 ,fy, 220452f, 31 ,fy, 212940f, 32 ,fy, 2108

18、52f, 33 ,fy, 208140f, 34 ,fy, 204600f, 35 ,fy, 200520f, 1 ,fy, 129000f, 3 ,fy, 42840 ! 以上为右隧道下部右侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 4 ,fy, 0f, 5 ,fy, -20300f, 6 ,fy, -48000f, 7 ,fy, -74500f, 8 ,fy, -99400f, 9 ,fy, -121900f, 10 ,fy, -141460f, 11 ,fy, -157820f, 12 ,fy, -170500f, 13 ,fy, -179180 ! 以上为右隧道上部右侧节点上施加 Y 方向集中

19、力 f, 2 ,fy, -185750f, 15 ,fy, -186700f, 16 ,fy, -179800f, 17 ,fy, -168480f, 18 ,fy, -153020f, 19 ,fy, -133810f, 20 ,fy, -111310f, 21 ,fy, -49650 ! 以上为右隧道上部左侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 46 ,fy, -59580f, 47 ,fy, -111310f, 48 ,fy, -133810f, 49 ,fy, -153020f, 50 ,fy, -168480f, 51 ,fy, -179800f, 52 ,fy, -186700 ! 以

20、上为左隧道上部右侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 45 ,fy, -185750f, 54 ,fy, -179180f, 55 ,fy, -170500f, 56 ,fy, -157820f, 57 ,fy, -141460f, 58 ,fy, -121900f, 59 ,fy, -99400f, 60 ,fy, -74500f, 61 ,fy, -48000f, 62 ,fy, -20300 ! 以上为左隧道上部左侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 63 ,fy, 0f, 64 ,fy, 42840f, 53 ,fy, 129000f, 71 ,fy, 200520f, 72 ,fy, 2

21、04600f, 73 ,fy, 208140f, 74 ,fy, 210852f, 75 ,fy, 212940 ! 以上为左隧道下部左侧节点上施加 Y 方向集中力 f, 70 ,fy, 220452f, 76 ,fy, 226680f, 77 ,fy, 225444f, 78 ,fy, 223392f, 79 ,fy, 220548f, 80 ,fy, 91220 ! 以上为右隧道下部右侧节点上施加 Y 方向集中力 2. 求解(1求解前设置。NROPT,FULL, , ! 采用全牛顿-拉普森法进行求解Allsel ! 选择所有内容Outres,all,all !输出所有内容(2求解。Solv

22、e ! 求解计算Finish ! 求解结束返回 Main Menu 主菜单 SAVE ! 保存数据7.1.3 后 处 理1. 初次查看内力和变形结果/POST1 ! 进入后处理器PLDISP,1 ! 绘制变形和未变形图 ETABLE, ,SMISC, 6 ! 6、 12表示弯矩ETABLE, ,SMISC, 12ETABLE, ,SMISC, 1 ! 1、 7表示轴力ETABLE, ,SMISC, 7ETABLE, ,SMISC, 2 ! 2、 8表示剪力ETABLE, ,SMISC, 8ESEL,U,TYPE,1 ! 仅显示单元类型 1 PLLS,SMIS6,SMIS12,-1,0 ! 绘制

23、弯矩图 PLLS,SMIS1,SMIS7,0.5,0 !绘制轴力图 PLLS,SMIS2,SMIS8,2,0 ! 绘制剪力图Save ! 保存数据2. 去除受拉弹簧再计算Finish ! 结束后处理器操作/sol ! 进入求解器FLST,2,39,2 ! 选择单元FITEM,2,244FITEM,2,245FITEM,2,246FITEM,2,247FITEM,2,248FITEM,2,243FITEM,2,242FITEM,2,257FITEM,2,258FITEM,2,259FITEM,2,260FITEM,2,261FITEM,2,256FITEM,2,255FITEM,2,231FITEM,2,232FITEM,2