同济曙光TBM水工隧道设计分析软件使用手册.doc
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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
56
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 37
3.4窗口 38
附录ATBM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：
lWindows95或Windows98或WindowsNT3.51/4.0或Windows2000
推荐使用Windows98或WindowsNT4.0或Windows2000，如果使用Windows95则一定要有InternetExplorer4.0或以上版本。
lIntel486或Pentium或其它兼容处理器
l16MB以上内存
l20MB硬盘空间
l交换文件大小视模型的大小而定
l640*480*256色显示器
l推荐使用800*600以上分辨率，真彩色的显示器
l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。
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2.1.1TBM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。
，其中γ为管片容重，δ为管片厚度。
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：
1、接头线性模式
正负不对称正负对称正负不对称
图2.3.3接头线性模式
关系表达如下：
2、接头双线性模式
正负不对称正负对称正负不对称
图2.3.4接头双线性模式
关系表达如下：
（）
3、接头非性模式
正负不对称正负不对称正负不对称
图2.3.5接头非线性模式
关系表达如下：
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
图2.3.7纵向连接螺栓剪切模型
其基本原理如下：
I．
式中：
—纵向连接螺栓周向刚度；
—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：
输入衬砌外轮廓的直径，以毫米为单位。
衬砌内直径：
输入衬砌内轮廓的直径，以毫米为单位。
纵向螺栓数：
输入每个管片上的纵向螺栓数。
右侧第一个螺栓与管片右侧的夹角：
输入的角度值。
左侧第一个螺栓与管片左侧的夹角：
输入的角度值。
图2.4.3水工隧洞几何图
操作提示
在“管片排布”中，编辑螺栓数、和，其他三项程序自动计算。
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
围岩压力折减系数：
考虑实际情况对围岩计算压力进行折减。
2.7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。
图2.8.1地层参数加权平均概念图
图2.8.2单一地层法采用的地层弹簧系数图2.8.3复杂地层法采用的地层弹簧系数
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．，
其中：
III．，
式中：
—为法向和切向的抗力；为相应的地层弹簧系数，且分别为被动区（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，设计中赋为零值。
在设计计算过程中，为判断主、被动区的确切位置，需以迭代法作变形控制分析。
建模向导地层弹簧
图2.8.5地层弹簧系数对话框
2.9 围岩压力
建模向导添加荷载
建模向导添加荷载围岩压力直接输入法
弹出直接输入法荷载计算对话框。
图2.9.1直接输入法荷载计算对话框
建模向导添加荷载围岩压力系数法
弹出系数法荷载计算对话框。
图2.9.2系数法荷载计算对话框
建模向导添加荷载围岩压力普氏法
弹出普氏法荷载计算对话框。
图2.9.3普氏法荷载计算对话框
建模向导添加荷载围岩压力泰沙基法
弹出太沙基法荷载计算对话框：
图2.9.4太沙基法荷载计算对话框
建模向导添加荷载围岩压力深浅埋隧洞法
弹出深浅埋隧洞法荷载计算对话框：
图2.9.5深浅埋隧洞法荷载计算对话框
操作提示
直接输入法中可以通过输入不同的顶部围岩压力值来考虑偏压的情况。
可以直接在各种方法的计算结果中修改计算结果。
2.10衬砌自重
建模向导添加荷载衬砌自重
弹出衬砌自重荷载计算对话框：
（即为材料编辑对话框）
图2.10.1材料编辑对话框
此处调出此对话框，是为了提醒用户，衬砌自重在设置材料时已经考虑了。
2.11衬砌自重
建模向导添加荷载内水压力
弹出内水压力计算对话框：
图2.11.1内水压力对话框
系统中考虑了设计条件和校核条件下的内水水头，并将隧道底部水平中轴线设为基准线，即基准线处的水头为零。
2.12外水压力
建模向导添加荷载外水压力
弹出外水压力计算对话框：
图2.12.1外水压力对话框
系统中考虑了设计条件和校核条件下的外水水头，并将隧道底部水平中轴线设为基准线，即基准线处的水头为零。
2.13灌浆压力
建模向导添加荷载灌浆压力
灌浆压力的输入参数为灌浆压力值。
根据规范，灌浆压力值一般在0.3MPa~0.5MPa之间。
灌浆压力的添加有两种方式，一种通过〈建模向导〉菜单中选择添加荷载下一级菜单中的灌浆压力项，另一种通过工程窗口中的添加荷载下一级菜单中的灌浆压力项进行添加。
用户还需要自行选择灌浆范围，在进行上一步操作后，将出现如下图所示的提示窗口：
图2.13.1灌浆压力
灌浆范围的确定通过节点进行选择。
节点的显示可以通过显示菜单项中显示节点进行显示，或者通过下图所示的按钮进行显示。
图2.13.2显示节点
在得到节点图中，用户可以单个选择或者框选需要施加灌浆压力的节点如图2.14.3，选择完毕右键点击，出现如图2.13.4所示的灌浆压力输入框：
图2.13.3 选择节点 图2.13.4 灌浆压力
输入灌浆压力值，确定，所选择的节点将施加灌浆压力。
2.14地震荷载
建模向导添加荷载地震荷载
地震荷载的计算是依据工况考虑的因素来确定的，计算方法为拟静力法。
图2.14.1地震荷载计算
2.15温度荷载
建模向导添加荷载温度荷载
由于衬砌混凝土的干缩和热胀冷缩，而且由于衬砌外侧围岩阻碍衬砌的自由膨胀，所以在衬砌内部产生温度应力。
图2.15.1温度荷载施加
2.16控制参数设置
建模向导求解控制参数
对盾构的计算模型、分析方法进行选择，它包括三个属性页，如下所示。
建模向导求解控制参数计算模型
图2.16.1求解控制参数向导1—计算模型对话框
操作提示
对管片的离散化采用了两种型式：
直梁和曲梁，直梁模型是曲梁模型的一种特殊形式，数值计算结果表明，当剖分单元取得足够小时，完全可以由直梁模型代替曲梁模型，将复杂问题简单化。
对管片接头的模拟采用了三种型式：
匀质圆环、弹簧元和接头元。
匀质圆环（修正惯用法）：
将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体的弯曲刚度的降低、管片是具有（弯曲刚度的有效率）弯曲刚度均匀的环（平均刚度均匀环）的方法。
考虑到错缝接头的接头部分弯矩的分配，在从根据均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减（弯矩的提高率），设为主截面的设计弯矩，为接头的设计用弯矩。
弹簧元：
将管片视为梁，而将接头视为具有一定转动刚度的弹簧联接件。
其中梁可分为直梁或曲梁，弹簧用于综合模拟管节接头的形式、防水充填材料的性态。
梁弹簧模型是目前普遍采用的计算模型，推荐使用。
图2.16.2梁－弹簧模型
接头元：
由于管片之间存在不连续面，模拟管片间的连接时，宜引入以考虑点与点接触为特征的接头单元模拟管节间接头的不连续性，梁接头与梁弹簧模型相比可以得到：
两相邻管片接头间的相对不连续变形量，可以得到连接螺栓的内力特别是剪力，接头的非线性效应可以得到有效的模拟。
图2.16.3梁－接头模型
建模向导求解控制参数管片拼装
图2.16.4求解控制参数向导2—管片拼装对话框
操作提示：
盾构隧道拼装方式分为通缝和错缝，错缝分为A-B-A、A-B-C两种方式。
曙光软件中对错缝拼装效应采用纵向螺栓剪切模型，采取三环计算。
错缝A-B-A拼装示意图：
第一环A型环第二环B型环第三环A型环
错缝A-B-C拼装示意图：
第一环A型环第二环B型环第三环C型环
图2.16.5计算用三环管片环拼装示意图
参数含义
前后环与当前环转动螺栓数：
确定相邻环的位置。
建模向导求解控制参数迭代控制
图2.16.6控制参数向导3—迭代控制对话框
增量加载总数：
在进行接头的双线性，非线性分析时，控制荷载施加的增量值，总荷载值/增量加载次数即为每一步施加的荷载值，当接头采用线性分布时选用默认值即可。
增量输出控制参数：
当采用分步加载时，每一步的结果是否输出，填0时为不输出计算结果，填其他的值为输出结果，当采用线性接头时可以采用默认值。
迭代控制参数：
在采用梁接头模型分析时，接头采用双线性或非线性分析时，需要通过迭代计算，通过此选项可以控制是否采用迭代计算。
操作提示
为处理材料接头双线性、非线性等问题，需要进行分次加载，即增量加载。
通过加载过程中不断调整接头刚度的取值，用分段直线逼近材料的非线性性态。
一般地，对于线性材料，只需进行全量加载即可。
2.17计算图例和模型
以上工作完成后，即得到TBM/盾构水工隧洞的计算图例和模型。
用户可以通过工具条来查看具体的内容。
图2.17.1工具条
图2.17.2计算模型
2.18分析求解
建模向导分析求解
图2.18.1正确求解提示
2.19查看结果
2.19.1内力
·显示弯矩
图2.19.1.1弯矩图
用户可以通过计算结果后处理显示设置或单击工具条上的图标对显示的结果进行重新调整，以达到自己的要求。
图2.19.1.2为重新调整后的结果。
图2.19.1.2后处理显示设置
图2.19.1.3调整后的弯矩图
其他结果可以通过进行切换查看，方法同上。
另外用户可以对图中螺栓的大小进行调节，一般情况下，程序会自动计算好螺栓的大小，用户无需更改。
2.19.2配筋及正常使用极限状态验算
从菜单中选择正截面配筋图标，即弹出以下对话框，见图2.19.2.1所示。
如图2.19.2.1所示，在配筋计算选项中，各节点的轴力和弯矩在能在窗口中实时显示，该节点处的配筋结果和正常使用极限状态验算也能够实时显示。
在“配筋详细结果”和“验算详细结果”按钮可以进一步查看计算结果，分别如图2.19.2.2、2.19.2.3所示。
通过“配筋参数设置”可以实时地修改计算参数值。
此外，“信息输入”一栏的参数也可以由用户自己输入，从而“配筋计算”可以作为一个独立的求解器使用，如图2.19.2.4所示。
图2.19.2.1正截面配筋计算
图2.19.2.2正截面配筋计算
图2.19.2.3正截面配筋计算
图2.19.2.4正截面配筋计算
2.20报告输出
从<计算>菜单中选择<生成计算书>，或从工具栏中单击。
可以弹出如下对话框。
计算报告内容的输出有多种形式，用户可以根据需要进行选择。
图2.20.1输出计算报告设置界面
2.21注意事项
1、在选择了新规范时，“配筋计算”对话框中的轴力和弯矩的值在程序内部会考虑了结构系数。
故用户将“配筋计算”对话框作为一个独立的求解器时，就不要再考虑结构系数。
2、当打开一个已经分析好的模型（*.yts）文件时，界面上显示的计算结果可能有误，这时须要重新网格划分（注意：
不要修改网格控制参数），点击分析求解即可得到原先的计算结果。
第三章通用功能
3.1文件操作
<文件>菜单的内容如下：
3.1.1新建
此功能用于建立一个新的数据文件。
由于TBM水工隧洞设计软件是一个多文档界面系统，因此新建一个数据文件不会删除当前数据文件中的数据内容。
3.1.2打开
此功能用于打开并读入已存在的数据文件。
由于TBM水工隧洞设计软件是一个多文档界面系统，因此打开一个已存在的数据文件也不会删除当前数据文件中的数据内容。
3.1.3关闭
此功能用于关闭当前的数据文件。
由于关闭当前的数据文件会删除当前数据文件的所有内容，因此用户应确保当前数据文件的内容已经存盘。
3.1.4保存
此功能用于重新保存已存在的文件。
为防止误操作破坏有用的数据，建议用户经常保存当前文件。
如果以前已经保存过这个文件，程序会自动将保存自上次保存以来用户做的所有修改。
如果从未保存过这个文件，则会弹出保存文件对话框，提示用户输入文件名（注意：
不需要输入扩展名）。
3.1.5另存为
此功能用于将当前数据保存到指定的文件中去，其主要用于数据文件名的更新或重新备份等。
3.1.6导入
（1）导入DXF文件
此功能用于读入AutoCAD的DXF格式的文件。
用户可以将AutoCAD的文件通过这种方法导入到TBM水工隧洞设计软件的系统中来。
注意：
在当前的版本中，只能识别AutoCAD中的直线，其它类型的绘图对象如圆、椭圆以及块信息等目前尚不能识别。
直线的一些信息，如：
颜色、层可以识别。
（2）导入同济曙光图形文件
此功能用于读入隧洞设计信息。
用户可通过此功能倒入已经保存好的计算模型，计算模型信息包括隧洞断面参数，荷载和工况，材料等参数。
3.1.7导出
（1）导出DXF文件
此功能用于将当前的数据文件输出为AutoCAD的DXF格式文件，以供AutoCAD调用。
（2）导出同济曙光图形文件
此功能用于将当前的数据文件输出为同济曙光软件所输出的PRE格式文件，用于进行隧洞设计计算。
（3）导出BMP文件
此功能用于将当前窗口内显示的图形内容保存为一幅BMP图像。
由于BMP图像能为很多软件所识别，因此为撰写文档或打印提供了另外一种灵活的形式。
3.1.8打印
此功能提供了将当前窗口显示的内容在打印机上打印输出的功能。
3.1.9打印预览
此功能提供了打印预览的功能，该功能可以让用户在屏幕上模拟打印机上输出的结果。
3.1.10打印设置
此功能提供了打印设置功能。
3.2编辑
如下图所示，编辑菜单的内容有撤消、重复、剪切、复制和粘贴功能。
3.2.1剪切
此功能用于将当前窗口的部分或全部显示内容剪去并以图形的形式保存到Windows系统的剪贴板上，可用于编辑图形以及向其它程序如Word等传递图像。
3.2.2复制
此功能用于将当前窗口的显示内容以图像的形式保存到Windows系统的剪贴板上，可用于向其它程序如Word等传递图像。
3
升级会员 