整理地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析ANSYS命令流.docx

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整理地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析ANSYS命令流

10.1模型的建立

/TITLE，3DanalysisonshieldtunnelinMetro!

确定分析标题

/NOPR!

菜单过滤设置

/PMETH，OFF，0

KEYW，PR_SET，1

KEYW，PR_STRUC，1!

保留结构分析部分菜单

/COM，

/COM，PreferencesforGUIfilteringhavebeensettodisplay:

/COM，Structural

1．材料、实常数和单元类型定义

/clear!

更新数据库

/prep7!

进入前处理器

et,1,solid45!

设置单元类型

et,2,mesh200,6

save!

保持数据

（2）定义模型中的材料参数。

!

土体材料参数

mp,ex,1,3.94e6!

地表层土弹性模量

mp,prxy,1,0.35!

地表层土泊松比

mp,dens,1,1828!

地表层土密度

mp,ex,2,20.6e6!

盾构隧道所在地层参数

mp,prxy,2,0.30

mp,dens,2,2160

mp,ex,3,500e6!

基岩地层参数

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

mp,ex,4,27.6e9!

管片衬砌弹性模量

mp,prxy,4,0.2!

管片衬砌泊松比

mp,dens,4,2500!

管片衬砌密度

!

注浆层，参数按水泥土取值

mp,ex,5,1e9!

注浆层弹性模量

mp,prxy,5,0.2!

注浆层泊松比

mp,dens,5,2100!

注浆层密度

save!

保持数据

2．建立平面内模型并划分单元

（1）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!

局部笛卡儿坐标

local,12,1,0,0,0!

局部极坐标

csys,11!

将当前坐标转换为局部坐标

wpcsys,-1!

同时将工作平面转换到局坐标

cyl4,,,,,2.7,90!

画部分圆半径为2.7

cyl4,0,0,2.7,0,3,90!

画管片层部分圆

cyl4,0,0,3,0,3.2,90!

画注浆层部分圆

rectng,0,4.5,0,4.5!

画外边界矩形

aovlap,all!

做面递加

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

rectng,4.5,31.5,0,4.5!

画矩形面

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

save!

保持数据

（2）划分单元，如图10-1所示。

meshkey,1!

选择划分方式为映射划分

type,2!

采用Mesh200进行平面内的单元划分

lesize,1,,,6!

对线设置单元数

lesize,2,,,6

lesize,3,,,6

amesh,1!

对面1划分单元

lesize,4,,,6!

对线设置单元数

lesize,8,,,2

lesize,9,,,2

amesh,2!

对面2划分单元

lesize,5,,,6!

对线设置单元数

lesize,10,,,1

lesize,11,,,1

amesh,3!

对面3划分单元

lesize,12,,,3!

对线设置单元数

lesize,13,,,3

lesize,6,,,3

lesize,7,,,3

lesize,14,,,8,2

lesize,16,,,8,0.5

amap,4,7,6,8,10!

对面4采用MAP方式划分单元

amap,5,9,8,11,12!

对面4采用MAP方式划分单元

save!

保持数据

（3）利用对称性划分单元得到下半部分模型，如图10-2所示。

arsym,y,all!

以y轴为对称轴进行镜像操作

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

allsel,all!

选择所有元素

save!

保持数据

（4）建立隧道下方土层模型，如图10-3所示。

rectng,0,4.5,-4.5,-26!

绘制下边界矩形面

rectng,4.5,31.5,-4.5,-26

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

lesize,28,,,3!

对线设置单元数

lesize,29,,,5,0.5

lesize,30,,,5,2

lesize,32,,,5,0.5

lesize,31,,,8,2

amesh,11!

对面11和12划分单元

amesh,12

save!

保持数据

（5）建立隧道上方土层模型，如图10-4所示。

rectng,0,4.5,4.5,15!

绘制上边界矩形面

rectng,4.5,31.5,4.5,15

lesize,34,,,3!

对线设置单元数

lesize,35,,,4

lesize,33,,,4

lesize,36,,,4

lesize,37,,,8,0.5

amesh,13!

对面13和14划分单元

amesh,14

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

save!

保持数据

（5）利用对称性得到平面内的全部模型，如图10-5所示。

allsel,all!

选择所有元素

arsym,x,all!

以x轴为对称轴进行镜像操作

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

save!

保存数据库

3．建立三维有限元模型

（1）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!

循环20次

k,,0,0,-3*i!

每次增加3m（纵向）

*enddo

!

沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸

l,3,38!

根据关键点生成线

*do,i,1,19

l,37+i,38+i!

通过关键点号循环增加生成线

*enddo

*do,i,1,20

lesize,64+i,,,1!

循环对线设置单元数

*enddo

!

进行拉伸，拉伸后建立的完整模型如图10-6所示

type,1!

选择拉伸单元为Solid45

mat,1!

赋予拉伸单元材料参数

esys,11!

选择单元坐标

extopt,aclear,1!

设置拉伸选项，即拉伸完成后删除母单元Mesh200

csys,12

*do,i,1,20

asel,s,loc,z,-3*（i-1）!

选择拉伸的面

vdrag,all,,,,,,64+i!

进行拉伸

*enddo

allsel,all!

选择所有元素

nummrg,all!

合并所有元素

numcmp,all!

压缩所有元素编号

allsel,all!

选择所有元素

save!

存储数据库

（2）分层赋给土体材料参数。

!

赋予隧道所在地层材料参数

csys,0!

改变坐标系

nsel,s,loc,y,-10.5,5!

选择节点

esln,s!

选择单元

mpchg,2,all!

改变材料参数

!

赋予基岩材料参数

nsel,s,loc,y,-11,-26!

选择节点

esln,s!

选择单元

mpchg,3,all!

改变材料参数

10.2施工过程三维仿真分析

10.2.1加载与自重应力场求解

1．施加边界条件

（1）并进行求解设置。

Finish!

返回上一次主菜单

/solu!

进入求解器

csys,0!

改变坐标系

/view,1,-1,0.5,1!

改变视图显示方向

/replot!

重新绘制

eplot!

显示单元图

save!

保存数据库

nsubst,10!

指定荷载子步

nlgeom,on!

指定大变形

nropt,full!

指定newton-lapnace迭代

pred,on!

启用非线性求解预测器

lnsrch,on!

启用线性搜索

outres,all,last!

选择将每一子步的最后一个迭代计算步结果保存

（2）施加约束条件。

nsel,s,loc,x,-31.5!

选择节点

d,all,ux!

施加X方向约束

nsel,s,loc,x,31.5!

选择节点

d,all,ux!

施加X方向约束

nsel,s,loc,y,-26!

选择节点

d,all,uy!

施加Y方向约束

nsel,s,loc,z,0!

选择节点

nsel,a,loc,z,-60

d,all,uz!

施加Z方向约束

allsel,all

acel,0,10,0!

施加重力

step=0!

用于记录计算步的参数

save!

存储数据库

2．自重应力场求解与后处理

（1）求解自重应力场。

time,1!

第1个荷载步（时间步）

solve!

求解

save!

存储数据库

finish!

返回上一次主菜单

（2）自重应力场后处理。

/POST1!

进入后处理器

PLNSOL,S,Y,0,1!

SY应力图如图10-8所示

PLNSOL,U,Y,0,1!

UY位移图如图10-9所示

10.2.2加载与自重应力场求解

1．第1步开挖模拟分析

（1）第1步开挖中第1个计算步的命令流。

/solu!

进入求解器

antype,,rest!

设定分析类型为重启动分析，重启动点默认为上次求解结束时

time,2!

设定时间步

AUTOTS,1!

自动增加计算步

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1!

时间步选项设置

csys,12!

将当前坐标变为前面自定义的极座标

wpcsys,-1

vsel,s,loc,x,0,3.2!

选择体

vsel,r,loc,z,0,-3!

再选择体

eslv,s!

选择单元

ekill,all!

杀死开挖土体单元，包括核心图、管片层、注浆层

asel,s,loc,x,0,3.19!

选择面

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!

选择面

asel,r,loc,z,0,-2.9

SFA,all,1,PRES,0.15e6!

施加注浆压力

allsel,all!

选择所有元素

solve!

求解

save!

存储数据库

finish!

返回上一主菜单

（2）第1步开挖中第1个计算步的命令流。

/solu!

进入求解器

antype,,rest!

重新启动

time,3!

第三次计算

AUTOTS,1

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

csys,12!

改变坐标系

wpcsys,-1!

改变工作坐标系

vsel,s,loc,x,0,2!

选择体

vsel,r,loc,z,0,-3

eslv,s!

选择单元

ekill,all!

杀死核心土单元

vsel,s,loc,x,2,2.3!

选择体

vsel,r,loc,z,0,-3

eslv,s!

选择单元

mpchg,4,all!

改变管片单元材料参数

vsel,s,loc,x,2.3,2.7!

选择体

vsel,r,loc,z,0,-3

eslv,s!

选择单元

mpchg,5,all!

改变注浆层材料参数

asel,s,loc,x,0,3.19!

选择面

asel,r,loc,z,-3

SFA,all,1,PRES,0.3e6!

在面上施加压力

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,0,-2.9

SFA,all,1,PRES,0!

取消注浆压力

allsel,all!

选择所有元素

solve!

求解

save!

保存数据库

finish!

返回上一层主菜单

2．开挖循环MAC文件的编写

（1）将第1步开挖，第1个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，并将其文件名命为Constr1.mac。

!

*************************************Constr1.mac*****************************

time,2*step

AUTOTS,1

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

csys,12

wpcsys,-1

vsel,s,loc,x,0,2

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

ekill,all

vsel,s,loc,x,2,2.3

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

mpchg,4,all

vsel,s,loc,x,2.3,2.7

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

mpchg,5,all

vsel,s,loc,x,0,3.2

vsel,r,loc,z,-3*（step-1）,-3*step

eslv,s

ekill,all

asel,s,loc,x,0,3.19

asel,r,loc,z,-3*（step-1）

SFA,all,1,PRES,0e6

asel,s,loc,x,0,3.19

asel,r,loc,z,-3*step

SFA,all,1,PRES,0.3e6

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-3*step+0.1

SFA,all,1,PRES,0.15e6

allsel,all

solve

save

（2）将第1步开挖，第2个计算步中的命令流改也写为以step（开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件名命为Constr2.mac，代码如下：

!

**********************Constr2.mac********************************************

time,2*step+1

AUTOTS,1

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

csys,12

wpcsys,-1

vsel,s,loc,x,0,2

vsel,r,loc,z,0,-3*step

eslv,s

ekill,all

vsel,s,loc,x,2,2.3

vsel,r,loc,z,0,-3*step

eslv,s

mpchg,4,all

vsel,s,loc,x,2.3,2.7

vsel,r,loc,z,0,-3*step

eslv,s

mpchg,5,all

asel,s,loc,x,0,3.19

asel,r,loc,z,-3*step

SFA,all,1,PRES,0.3e6

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-3*step+0.1

SFA,all,1,PRES,0

allsel,all

solve

save

3．第2步到第13步的开挖模拟分析

（1）第2步开挖模拟分析，!

以下的中文说明也与第一步开挖一致，在此省去。

/solu

antype,,rest

step=2

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=2

Constr2.mac

（2）第3步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=3

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=3

Constr2.mac

（3）第4步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=4

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=4

Constr2.mac

（4）第5步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=5

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=5

Constr2.mac

（5）第6步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=6

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=6

Constr2.mac

（6）第7步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=7

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=7

Constr2.mac

（7）第8步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=8

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=8

Constr2.mac

（8）第9步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=9

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=9

Constr2.mac

（9）第10步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=10

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=10

Constr2.mac

（10）第11步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=11

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=11

Constr2.mac

（11）第12步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=12

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=12

Constr2.mac

（12）第13步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=13

time,2*step

AUTOTS,1

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

csys,12

wpcsys,-1

vsel,s,loc,x,0,2

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

ekill,all

vsel,s,loc,x,2,2.3

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

mpchg,4,all

vsel,s,loc,x,2.3,2.7

vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

eslv,s

mpchg,5,all

vsel,s,loc,x,0,3.2

vsel,r,loc,z,-3*（step-1）,-60

eslv,s

ekill,all

asel,s,loc,x,0,3.19

asel,r,loc,z,-3*（step-1）

SFA,all,1,PRES,0e6

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-60

SFA,all,1,PRES,0.15e6

allsel,all

solve

save!

以上为开挖中的第一个计算步

/solu

antype,,rest

step=13

time,2*step+1

AUTOTS,1

DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

csys,12

wpcsys,-1

vsel,s,loc,x,0,2

vsel,r,loc,z,0,-60

eslv,s

ekill,all

vsel,s,loc,x,2,2.3

vsel,r,loc,z,0,-60

eslv,s

mpchg,4,all

vsel,s,loc,x,2.3,2.7

vsel,r,loc,z,0,-60

eslv,s

mpchg,5,all

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-60

SFA,all,1,PRES,0

allsel,all

solve

save!

以上为开挖中的第二个计算步

10.3计算结果分析

本节主要从地层位移、地表沉降和管片结构内力随盾构隧道掘进施工过程的变化进行了详细的分析。

1．1．地层位移分析

!

****************************************loadcase.mac**************************

/POST1!

进入后处理器

第五章　环境影响评价与安全预评价LCDEF,1,1,,!

将第1个计算步结果定义为荷载工况1

（2）辨识和分析评价对象可能存在的各种危险、有害因素，分析危险、有害因素发生作用的途径及其变化规律。

LCDEF,2,3,,!

将第3个计算步的结果定义为荷载工况2

建设项目所处环境的敏感性质和敏感程度是确定建设项目环境影响评价类别的重要依据，环境影响评价文件应当就该项目对环境的影响做重点分析。

LCASE,2,!

读入荷载工况2

大纲要求LCOPER,SUB,1,,,!

将荷载工况2减去荷载工况1

ESEL,S,LIVE!

选择活状态下的单元

PLNSOL,U,Y,0,1!

绘制节点结果，Y方向位移图如图10-10所示

2．

3．1.法律地表沉降分析

同样，利用loadcase.mac中的命令流还可以得到地表沉降。

运行了该文件后，执行下面的命令：

CSYS,0

WPCSYS,-1

（2）规划实施中所采取的预防或者减轻不良环境影响的对策和措施有效性的分析和评估；NSEL,S,LOC,Y,15!

选择地表节点

3.评估环境影响的价值（最重要的一步）：

采用环境经济学的环境经济损益分析方法，对量化后的环境功能损害后果进行货币化估价，即对建设项目的环境费用或环境效益进行估价。

ESLN,S!

选择附在节点上的单元

EPLOT

3.意愿调查评估法PLNSOL,U,Y,0,1

4．管片结构受力分析

VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7

对于不同的评价单元，可根据评价的需要和单元特征选择不同的评价方法。

VSEL,R,LOC,Z,0,-3

C.环境影响报告书ESLV,S!

选取第1环管片

SET,3,LAST,1,!

读入第3个计算步（对应于第1个开挖步结束）

PLNSOL,S,EQV,0,1