地铁盾构隧道管片结构设计力学分析

1、管片衬砌结构力学分析过程前处理确定分析标题。/TITLE, Mechanical analysis on segment lining of shield tunnel in Metro !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 材料、实常数和单元类型定义/PREP7 !进入前处理器ET,1,BEAM3 !设置梁单元类型，模拟管片衬

2、砌ET,2, COMBIN14 !设置弹簧单元类型，模拟衬砌与地层相互作用R,1,0.3, 0.00225,0.3, , , , !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,1,0 MPDATA,EX,1,34.5e9 !输入弹性模量，单位为PaMPDATA,PRXY,1,0.2 !输入泊松比MPTEMP, !设置材料模型MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,2500 !输入密度，单位为kgSAVE !保存数据库建立几何模型（1）创建关键点。K,100,0,0,0, !通过编号和坐标创建关键

3、点，圆心位置K,1,0.5925,2.7877,0,K,2,-0.5925,2.7877,0, K,3,2.7105,0.8807,0,K,4,-2.7105,0.8807,0, K,5,1.6752,-2.3057,0, K,6,-1.6752,-2.3057,0, !以上6个关键点为管片环向接头位置SAVE !保存数据（2）创建盾构隧道轮廓线。Larc,1,2,100,2.85 !通过两个端点和圆弧内侧任意一点以及半径画圆弧Larc,2,4,100,2.85Larc,4,6,100,2.85Larc,6,5,100,2.85Larc,5,3,100,2.85Larc,3,1,100,2.8

4、5 !以上为盾构隧道轮廓线的绘制SAVE !保存数据4. 创建弹簧节点所在的轮廓线（1）创建关键点。K,11,0.7277,3.4235,0, !通过编号和坐标创建关键点K,12,-0.7277,3.4235,0, K,13,3.3287,1.0816,0, K,14,-3.3287,1.0816,0, K,15,2.0572,-2.8316,0, K,16,-2.0572,-2.8316,0, !以上6点对应管片接头，只是半径更大了SAVE !保存数据（2）创建左右隧道弹簧节点轮廓线。Larc,11,12,100,3.5 !通过两个端点和圆弧内侧任意一点以及半径画圆弧Larc,12,14,1

5、00,3.5Larc,14,16,100,3.5Larc,16,15,100,3.5Larc,15,13,100,3.5Larc,13,11,100,3.5 !以上为盾构隧道弹簧外节点轮廓绘制，如图9-6所示SAVE !保存数据单元网格划分（1）设置单元大小，每6度为一单元，共60个单元，如图9-7所示。lsel,s,1,7,6 !选择线1和7LESIZE,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,2,8,6 !选择线2和8lsel,a,6,12,6 !再选择线6和12LESIZE,all, , ,10, ,

6、 , , ,1 !设置单元大小, 所有选择的线被划分成10个单元Allsellsel,s,3,5,1 !选择线3到5lsel,a,9,11,1 !再选择线9和11LESIZE,all, , ,12, , , , ,1 !设置单元大小, 所有选择的线被划分成12个单元Allsel !选择所有元素/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9-8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

7、数lmesh, all !对所有的线进行单元划分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9-9所示。TYPE, 2 !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, 2 !设置将要创建单元的几何常数E,1,61 !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9-10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,7,12,1 !清除线16到23上的所有单元ALLSEL,ALL !选择所有元素NUMMRG,ALL

8、, , , ,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Finish !返回Main Menu 主菜单SAVE !保存数据加载与求解加载（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LST,2,60,1,ORDE,2 !选择要施加约束的节点，共60个FITEM,2,61 FITEM,2,-120!* /GO D,P51X, ,0, , , ,UX,UY, , , , !在“Ux”和“Uy”两个方向的施加约束（2）施加重力加速度。

9、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6条线，线7到12Allsel !选择所有元素lsel,s,7,12,1 !选择线7到12NSLL,R,1 !选择线上的节点/PNUM,NODE,1 !显示节点编号设置/REPLOT NPLOT !显示节点NLIST,ALL, , , ,NODE,NODE,NODE !列出节点坐标SAVE !保存数据（4）在节点上施加节点力，加上荷载和位移边界条件后的几何模

10、型如见图9-11所示。f,1,fx,-3502.5 !在节点上施加X方向节点力f,3,fx,-1170f,4,fx,0f,5,fx,3502.5f,2,fx,5790 !以上为在拱顶管片（封顶块）上施加X方向节点力f,7,fx,8017.5f,8,fx,10155f,9,fx,12187.5f,10,fx,14077.5f,11,fx,15825f,12,fx,17385f,13,fx,18765f,14,fx,19935f,15,fx,20887.5f,6,fx,21611.25 !以上为在左邻接块上施加X方向节点力f,17,fx,22098f,18,fx,22342.97396f,19,f

11、x,22342.77605f,20,fx,22098f,21,fx,21611.25f,22,fx,20888.25f,23,fx,19935f,24,fx,18765f,25,fx,17385f,26,fx,15825f,27,fx,14077.5f,16,fx,12187.5 !以上为在左标准块上施加X方向节点力f,29,fx,10155f,30,fx,8017.5f,31,fx,5790f,32,fx,0f,33,fy,1170f,34,fx,0f,35,fx,-3502.5f,36,fx,-5790f,37,fx,-8017.5f,38,fx,-10155f,39,fx,-12187.

12、5f,28,fx,-14077.5 !以上为底部标准块上施加X方向节点力f,41,fx,-15825f,42,fx,-17385f,43,fx,-18765f,44,fx,-19935f,45,fx,-20888.25f,46,fx,-21611.25f,47,fx,-22098f,48,fx,-22342.77611f,49,fx,-22342.9739f,50,fx,-22098f,51,fx,-21611.25f,40,fx,-20887.5 !以上为在右标准块上施加X方向节点力f,52,fx,-19935f,53,fx,-18765f,54,fx,-17385f,55,fx,-1582

13、5f,56,fx,-14077.5f,57,fx,-12187.5f,58,fx,-10155f,59,fx,-8017.5f,60,fx,-5790 !以上为在右邻接块上施加X方向节点力f,1,fy,-35354.4 !在节点上施加Y方向节点力f,3,fy,-35745.6f,4,fy,-35745.6f,5,fy,-35354.4f,2,fy,-34578 !以上为在拱顶管片（封顶块）上施加Y方向节点力f,7,fy,-33426f,8,fy,-31896f,9,fy,-30024f,10,fy,-27816f,11,fy,-25308f,12,fy,-22536f,13,fy,-19500

14、f,14,fy,-16248f,15,fy,-12828f,6,fy,-9264 !以上为在左邻接块上施加Y方向节点力f,17,fy,-5604f,18,fy,-1872f,19,fy,0f,20,fy,5604f,21,fy,9264f,22,fy,12828f,23,fy,16248f,24,fy,19500f,25,fy,22524f,26,fy,25320f,27,fy,27816f,16,fy,30024 !以上为在左标准块上施加Y方向节点力f,29,fy,31896f,30,fy,33418.8f,31,fy,34579.2f,32,fy,35179.2f,33,fy,35749.

15、2f,34,fy,35749.2f,35,fy,35356.8f,36,fy,34579.2f,37,fy,33418.8f,38,fy,31896f,39,fy,30024f,28,fy,27816 !以上为底部标准块上施加Y方向节点力f,41,fy,25320f,42,fy,22524f,43,fy,19500f,44,fy,16248f,45,fy,12828f,46,fy,9264f,47,fy,5604f,48,fy,1872f,49,fy,0f,50,fy,-5604f,51,fy,-9264f,40,fy,-12828 !以上为在右标准块上施加Y方向节点力f,52,fy,-162

16、48f,53,fy,-19500f,54,fy,-22536f,55,fy,-25308f,56,fy,-27816f,57,fy,-30024f,58,fy,-31896f,59,fy,-33426f,60,fy,-34578 !以上为在右邻接块上施加Y方向节点力求解（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D,4, ,0, , 34, 30,UX, , , , , !在节点4，34上施加水平位移约束D,19, ,0, , 49, 30,UY, , , , , !在节点49，19上施加竖向

17、位移约束（2）求解。Solve !求解计算Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单SAVE !保存数据后处理初次查看内力和变形结果（1）绘制变形图，如图9-12所示。路径为：General Postproc Plot Results Deformed Shape DefUndeformed。/POST1 !进入后处理器PLDISP,1 !绘制变形和未变形图（2）内力表格制作。路径：General PostprocElement TableDefine Table。ETABLE, ,SMISC, 6 ! 6、12表示弯矩ETABLE, ,SMISC, 12 ETABLE, ,SMI

18、SC, 1 ! 1、7表示轴力ETABLE, ,SMISC, 7 ETABLE, ,SMISC, 2 ! 2、8表示剪力ETABLE, ,SMISC, 8 （3）查看内力，包括弯矩、轴力和剪力，如图9-13图9-15所示。路径：General Postproc Plot Results Contour Plot Line Elem Res。ESEL,U,TYPE,1 !仅显示单元类型1PLLS,SMIS6,SMIS12,-1.5,0 !绘制弯矩图PLLS,SMIS1,SMIS7,1,0 !绘制轴力图PLLS,SMIS2,SMIS8,2,0 !绘制剪力图Save !保存数据去除受拉弹簧再计算由图

19、9-12可以看出，大部分弹簧单元都是受拉，因此要去除受拉弹簧单元，并进行重新计算。采用单元的“生死”来模拟，即将受拉弹簧的属性赋予“死”。路径：SolutionLoadStepOptionsOtherBirthandDeathKill Elements。Finish !结束后处理器操作/sol !进入求解器FLST,2,13,2 !选择单元共13个弹簧（底部的）FITEM,2,147 FITEM,2,148 FITEM,2,149 FITEM,2,150 FITEM,2,152 FITEM,2,151 FITEM,2,153 FITEM,2,154 FITEM,2,155 FITEM,2,156 FITEM,2,157 FITEM,2,158 FITEM,2,159 EKILL,P51X !杀死所选择的单元 FLST,2,13,2 !选择单元