完整word版盾构隧道结构ansys计算方法.docx

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完整word版盾构隧道结构ansys计算方法

一、盾构隧道结构计算模型

1、惯用法（自由圆环变形法）

惯用法的想法早在1960年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。

惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，不考虑管片接头部分的柔性特征和弯曲刚度下降，管片截面具有同样刚度，并且弯曲刚度均匀的方法。

这种方法计算出的管片环变形量偏小，导致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内力又过大。

地层反力假设仅在水平方向上下45°范围内按三角形规律分布，这种模型可以计算出解析解。

2、修正惯用法

在采用惯用法的60年代，怎样评价错缝拼装效应是一个问题。

如果错缝拼装管片，可弥补管片接头存在造成的刚度下降。

于是，在对带有螺栓接头的管片环进行多次核对研究时，首次引入了η-ξ对错缝拼装的衬砌进行内力计算，即为修正惯用法。

该法将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环，将计算出的弯矩增大即（1+ξ）M，得到管片处的弯矩；将求出的弯矩减少即（1-ξ）M，得到接头处的弯矩。

其中η称为弯曲刚度有效率，ξ称为弯矩增加率，它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之比。

管片接头由于存在一些铰的作用，所以可以认为弯矩并不是全部经由管片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。

接头传递弯矩示意图

二、管片计算荷载的确定

1、荷载的分类

衬砌设计所考虑的各种荷载，应根据不同的地质条件和设计方法进行假定并根据隧道的用途加以考虑。

衬砌设计所考虑的各种荷载见表所示。

衬砌设计荷载分类表

荷载分类

荷载名称

永久荷载

结构自重

地表超载

土压

水压

地层抗力

设备重量

可变

荷载

基本可

变荷载

地面车辆荷载

地面车辆荷载引起的侧向土压力

隧道内部车辆行人等引起的荷载

其它可变

荷载

施工荷载（设备运输、施工机具及人员、盾构推进、压注浆等）

偶然荷载

地震荷载

2、计算断面选择

●埋深最大断面

●埋深最小断面

●埋深一般断面

●水位

3、水土压力计算

对于粘性土层，如西安地铁黄土地层、成都地铁二号线膨胀土地层等，应采用水土压力合算的方式进行荷载计算。

此时，地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用饱和容重计算。

对于透水性较好的砂性地层，如西安地铁粗砂、中砂地层，成都地铁卵石土地层等，应采用水土压力分算的方式进行荷载计算。

此时地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用浮容重计算。

水土压力合算与分算，主要影响管片结构侧向荷载。

一般水土分算时侧向压力更大。

4、松弛土压力

将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。

其大小宜根据隧道的覆土厚度、隧道的断面形式、外径和围岩条件等来决定。

考虑长期作用于隧道上的土压力时，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应而采用总覆土压力。

但当覆土厚度大于隧道外径时，地基中产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在计算时采用松弛土压力，一般采用泰沙基公式计算。

图2-5松弛土压力示意图

式中：

三、管片内力有限元计算单元选择

1、beam3单元

输入参数：

（1）实常数（RealConstants）

AREA–横截面积

IZZ–横截面惯性矩

HEIGHT–梁高

（2）材料参数（MaterialProperties）

EX——弹模

DENS——密度

PRXY——泊松比

其它选项采用默认即可

2、Link10单元

（1）RealConstants

AREA–横截面积，取单位面积1。

（2）MaterialProperties

EX——弹模，需满足E*A=地层抗力刚度

其它选项采用默认即可

3、link1单元

（1）RealConstants

AREA–横截面积，取单位面积1。

（2）MaterialProperties

EX——弹模，为了不影响计算结果取足够小，如1。

四、结点力计算

1、均布荷载时

中间结点：

两端结点：

2、梯形荷载时

中间结点：

两端结点：

五、圆形结构内力计算

1、计算参数

R=4.5m；B=1.5m；H=0.5m（厚）；

Pw1=0.1MPa;Pe1=0.14MPa;

Pw2=0.19MPa;Pe2=0.05MPa;

Q1=0.14MPa

Q2=0.23MPa

2、在自重情况下的结构内力分布

计算命令流为：

/prep7

et,1,beam3

et,2,link10

keyopt,2,3,1!

*****只受压******

R,1,0.75,0.015625,0.5,,,,

R,2,1,,

!

定义混凝土衬砌材料

mp,ex,1,2.76e10

mp,prxy,1,0.2

mp,dens,1,2600

mp,ex,2,5e7

mp,prxy,2,0.01

!

建立几何模型

k,1,0,0,0

circle,1,4.5

!

设置划分单元大小为0.5m/个

Lsel,all

LESIZE,all,0.5,,,,,,,1

Type,1

Mat,1

Real,1

Lmesh,all

!

复制建立地层弹簧

CSYS,1

wpcsys,-1

nsel,s,loc,x,4.4,4.6

NGEN,2,500,all,,,1,,,1,

allsel,all

*do,i,1,60

type,2

real,2

mat,2

e,i,i+500

*enddo

nsel,s,loc,x,5.4,5.6

d,all,all

nsel,s,,,32

D,all,,,,,,UX,,,,,

allsel,all

csys,0

wpcsys,-1

/sol

ACEL,0,10,0,!

********施加重力命令*********

solve

/post1

ETABLE,,SMISC,1

ETABLE,,SMISC,7

ETABLE,,SMISC,2

ETABLE,,SMISC,8

ETABLE,,SMISC,6

ETABLE,,SMISC,12

工况一：

πg＋地层反力作为主动荷载施加

工况二：

πg＋地层反力作为被动荷载施加

结果比较：

工况一：

作为主动荷载施加

工况二：

作为被动荷载施加

相差

弯矩/kN*m

正弯矩（内弯）

197.8

238.8

17.2%

负弯矩

139.2

195.3

28.7%

轴力/kN

1950

1930

1%

最大变形量/mm

4.26

5.66

24.7%

适用地层

软土

岩层