直刚法程序使用说明.docx
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直刚法程序使用说明
直刚法程序使用说明
一、直刚法原理
本程序采用直接刚度法〔简称“直刚法〞，又称位移刚度法〕电算程序对模型混凝土衬砌结构进行强度检算。
其根本原理是：
以结构节点位移为根本未知量，连接在同一节点，各单元的节点位移应该相等，并等于该节点的结构节点位移——变形协调条件；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该点上作用的各个单元的节点力相平衡——静力 条件。
因此，首先要进行单元分析，找到单元节点力和单元节点位移的关系——单元刚度矩阵，然后进行整体分析，将每一个节点上共同位移的各单元刚度矩阵元素简单地叠加起来，建立以节点静力平衡为条件的总体刚度方程，再利用边界条件，由结构刚度方程中解出未知的结构各节点的位移，也就是解结构刚度方程，然后再根据变形协调条件求得联结于该节点各单元的单元节点位移，进而求出单元节点力——衬砌的内力。
二、衬砌的计算图式
图1衬砌计算图式
程序把衬砌结构看作为离散化单元的集合体，以衬砌结构轴线代替原衬砌结构，采用弹性支撑链杆模拟围岩压力，且按节点径向设置。
隧道边墙底端弹性固定，能产生转动和垂直下沉，但由于边墙底面和围岩之间摩擦力甚大，一般不能产生水平位移，故应在边墙底面的水平方向上加以约束，计算图式如图1所示。
衬砌各单元杆件两端以i为始端，j为末端，x、y为单元局部坐标系，以i为原点，x轴沿杆轴由i到j为正，由x轴顺时针旋转90°为y轴的正向〔见图1所示〕：
X、Y为结构坐标系，X、Y轴分别以向右、向下为正，原点为衬砌结构轴线顶点。
单元节点力与节点位移的正负方向均与单元坐标轴正负方向规定一致，弯矩和角位移以顺时针方向为正。
单元节点编号从0开始，单元号从1开始，由左至右顺序编写。
三、直刚法电算程序计算的实现过程
1〕直刚法电算程序计算的实现过程
输入根本原始数据
调用子程序coore，计算各单元几何参数：
a，，clg，clog及节点坐标
，
调用子程序loadps，计算节点荷载
形成结构根本单刚
调用子程序ALL，形成结构
荷载组数累计
调用子程序SE，解刚度方程并输出节点
调用子程序CHECK，对各截面的偏心和平安系数进行判断并输出判断结果
Load＝load＋1
否
判断load是否大于ld
是
停 机
2〕本程序的使用方法
在应用本程序进行衬砌结构强度检算前，应该已经选定衬砌的内轮廓并初步设计衬砌厚度，之后对衬砌单元按照计算图式进行离散编号。
通过修改原程序的坐标计算模块，衬砌结构分块不再受到任何限制，但在单元划分时应确保拱顶这个重要位置为一节点。
单元划分好以后，在CAD中画出衬砌结构平面图并标出二次衬砌的轴线，下面结合衬砌结构平面图说明直刚法程序数据文件的编制。
以上就是从程序中抽出的数据文件的编制流程，阅读程序时，其中第一列是“c〞的是被废弃掉的语句，注意不要被其影响。
下面对数据文件中的各参数做一详细说明：
nsym表示结构对称性情况，输入1表示对称，0表示不对称；nclog表示结构内外缘是否相等，1表示相等，0表示不等；iauto表示是否手动输入各节点坐标，0表示手动输入，1表示由程序自动生成；locat表示当前块所在位置，1表示边墙，2表示拱圈；ina表示当前块的外轮廓线形，1表示直线，2表示曲线；kload表示有无集中荷载，1表示有，0表示无；nc表示深浅埋情况，0表示浅埋hhq，2表示深埋，3表示明洞；w表示连拱隧道信息:
1,为连拱隧道,做紧靠中隔墙的衬砌荷载处理，否那么不用；n1-衬砌与中隔墙顶部相连处的衬砌节点号；u-中隔墙处荷载处理方式：
1，假设分布荷载为零，自动输入；2，手动输入节点荷载子程序loadps中的语句read（8,*）knode,（forc1（knode,j）,j=1,3）的意思是读入集中荷载所在位置〔knode〕以及该力的大小，forc1就是表示这个集中力的数组，分别是水平力，竖向力以及弯矩；bet表示起始角，其表示方法为计算图式中的X负方向顺时针旋转到起始边的角度的大小，逆时针旋转为负。
其他变量的含义见下表。
值得强调的是，一般情况下曲边墙的下部都被扩大作成外缘为直线垂直与地平面，这样的话，弹性连杆垂直其外缘设置，这一局部就不能看作是曲墙了，在进行计算时应视其为直角梯形型的直墙；同时，拱顶作为结构受力最薄弱的局部，在划分单元时必须保证其为一节点；块数一般按照内轮廓线的线段组合划分，但线段连接处必须是节点；由于衬砌厚度会导致内轮廓线和衬砌轴线不一致，在线段连接不顺滑地方容易出现一个小三角形的割断区，为保此处受力不失真，宜将此小三角形单独划分为一个单元块。
常用变量含义说明表
xi，yi
xj，yj
di，dj
r30
r0
alf
bet
nl
块的起点坐标
块的终点坐标
块的起点和终点截面厚度
曲墙内缘半径
拱圈内缘半径
圆心角
起始角
节点编号
rg、rg1
cg
s
ce
pcent
h1、ht
fai、fai1
thta
围岩容重、明洞回填土容重
砼容重
围岩级别
侧压力系数
衬砌承当围岩压力系数
覆盖层厚度、隧道高度
围岩计算摩擦角、明洞回填土计算摩擦角
洞顶岩体间摩擦角
afa
nedi
clg
clog
al
pe
pk
地面倾角
水平压力分布形态
1：
矩形
单元轴线长度
单元外缘长度
单元与结构坐标间的夹角
截面允许偏心距
截面控制平安系数
2：
梯形
以下是check子程序中的参数
ia
ir
iw
ie
衬砌类型
0：
砼
灌注情况
0：
连续
地基类型
0：
岩石
明洞类型
1：
半路堑
1：
圬工
1：
间歇
1：
土质
2：
棚式
rl
ry
sry
pkcl
pkcy
pksy
psigml
psigmr
砼极限抗拉强度
砼极限抗拉强度
砌体极限抗压强度
砼控制抗拉平安系数
砼控制抗压平安系数
砌体控制抗压平安系数
左基底允许压应力
右基底允许压应力
四、程序的深入理解
只有深入了解原程序，才能发现其中的BUG然后延伸前人的智慧，根据自己的需要修改程序。
要做到这一点，必须把握住凶横许的设计思想，设计思想的把握除了设计理论外，最重要的就是程序中的根本参数，下面分类做一简要介绍。
（1）重要的变量说明
位置
变量名
含义
位置
变量名
含义
子
程
序
mk
h
（1）
EA
子
程
序
Se
Ic
迭代次数
h
（2）
EI
f（n）
工作数组
cl
单元轴线长
fx（n）
边界处理后的荷载数组
ck
局部单刚二维数组
ss
（2）
对应h〔２〕数组
子
程
序zk
ckr
弹性抗力系数
cx（3）
节点位移数组
fai/fa
角（弧度／度）
cxm（6）
结构坐标下节点位移
clo
相邻单元长度和之半
ctg（6）
局部坐标下节点位移
cki
抗力单刚二维数组
cnqm
局部坐标系下节点力
子
程
序all
iss
总刚非零元素个数
n
未知节点位移分量总数
ig
节点号
dr（ig）
链杆所在处节点径向位移
ckof
左基底单刚
ih（mm）
标号数组
ckoe
右基底单刚
nmid
拱顶节点号
pan
连杆判别符
dan
（ig）
综合判断数组
ib
节点位移编码表
dan（i）=pan（i）×dr（i）
角规定为从y轴正向顺时针转到某节点的角度
（2）功能子程序
名称
作用
名称
作用
子程序ooo
给一维数组赋值０
子程序zha
形成坐标转置矩阵
子程序oo
给二维数组赋值０
子程序zk
形成围岩抗力单刚
子程序mk
形成衬砌单元刚度矩阵
子程序zhb
求矩阵zha的转置矩阵
子程序chn
矩阵相乘
子程序all
拼成总刚
子程序md
总刚元素一维存储地址
子程序se
解方程并修改总刚
（3）子程序all的实现过程
形成左右墙基单元刚度矩
调用子程序MK，形成局部坐标系中的单元刚度矩
进行坐标转换，形成整体坐标系中的单元刚度矩阵
调用子程序ZK，形成整体坐标系中抗力弹簧支承单元刚
形成一维紧缩存储的结构总刚度
（4）子程序se的实现
形成左右墙基单元刚度矩
调用子程序MK，形成局部坐标系中的单元刚度矩
进行坐标转换，形成整体坐标系中的单元刚度矩阵
调用子程序ZK，形成整体坐标系中抗力弹簧支承单元刚
形成一维紧缩存贮的结构总刚度
（5）拼总刚子程序all的逐句解读
行数
作用和意义
108
说明以下子程序用于拼总刚
109-112
要用到的数组及其维数说明
113
公用区传递有关参数
114-124
给存放左右基底单刚的数组充０然后赋值
125
循环表示从第一个衬砌单元拼总刚到第m个单元
126-127
将相关角度转化为弧度
130-131
ss
（2）数组其实与h
（2）数组相同含义
140-143
单刚序号j，ia对应到总刚在ib表中的序号ir，it
144-146
通过iw=ir×it进行边界处理，如iw＞0那么表示该元素不属划行划列范围那么调用子程序md将总刚序号为〔ir，it〕的元素存放到一维数组的is位置
147
第一单元时，一维数组sa（is）是衬砌单刚、左基底单刚、弹性抗力单刚三者下脚标相同的元素和
148
第二至第〔m-1〕个单元时，一维数组sa（is）是衬砌单刚、弹性抗力单刚下脚标相同的元素和
149
第m单元时，一维数组sa（is）是衬砌单刚、右基底单刚下脚标相同的元素和
150
给一维数组pan（i）赋值1，为建立综合判据dan（i）=pan（i）×dr（i）做准备
编码表ib作用
1.边界处理，适用于任意形状的结构；2.拼总刚，ib表的行、列号不同时，所对应的数组元素可能相同，相同即可叠加
Ib说明
行号表示衬砌单元号，列号表示位移分量号〔即单刚列号〕
拼总刚
1.上一单元j端与下一单元i端叠加；2.注意k（ir,it）与sa（is）的对应关系；3.下脚标相同者相加；4.拼的同时做边界处理；5.单刚元素在总刚中的位置由ib表决定，总刚在一维数组中的位置由地址码md决定。
（6）主程序及其以后局部的解读
行数
释义或变量意义
行数
释义或变量意义
377
输入数据m,ls,m衬砌单元数
Ld：
荷载组数
485
Node为划分区域的单元数
379
N：
节点个数
486
Locat=1为边墙，0为拱圈
380
Nmid：
拱顶节点标号
489
Ina:
每个划分单元是实线还是虚线
381
Ig：
拱顶节点标号
491
输入Iauto，Node，Locat，Ina
382
Mm：
弹性抗力系数的个数
492
假设Iauto=0执行以下程序，即自动生成单元数
393
调用子程序coore
504
假设是直边墙执行以下程序
395
输入弹性抗力ckkr（i）
505
输入xi,yi（起点坐标）xj,yj（末点坐标）di,dj（边墙宽度）
400
输入弹性模量
530
假设是曲边墙执行以下程序
407
输入个截面厚度
561
拱圈局部的计算程序
410
Ib表的列数与衬砌单元的总数相等及产生ib表
639
计算al
432
调用子程序loadps
683
子程序loadps,将各种分布荷载及结构自重自动转化为节点的等效荷载
448
调用子程序all
679
输入s,rg,cg,b,pcent,fai,nc,that,hl,afa,nedi
453
调用子程序se,fx代表原始节点荷载，f为工作数组；dr为径向数组
726
计算各种等效节点荷载
454
调用检算子程序check
728
找出洞室最宽节点号
463
子程序check
753
求单元自重产生单元节点荷载
474
输入narea,nsym,nclog,自动块划分
772
计算浅埋时围岩压力产生的节点荷载
481
单元的划分
846
计算深埋时围岩压力产生的节点荷载
482
Iauto=１为手工划分，0为自动划分
五、输入数据的格式
mld
nareansymnclog
iautonodelocatina
xiyixjyjdidj
iautonodelocatina
xjyjr30didj
iautonodelocatina
r0alfbetdidj
（m+1）*ckkr
m*e
srgcgcebpcentncfaithtah1afanedi
iairiwierlrysrym1m2pkclpkcypksypsigmlpsigmr
m－衬砌单元个数；
nsym—结构对称性变量；1：
对称，0：
非对称；
nclog—内外缘是否相等；1：
相等，0：
不相等；
iauto—代表单元和结点编号是否自动形成变量；1：
自动，0：
手动；
node—各块每划分的单元数；
locat—每个被划分的块所处于的位置；1：
边，2：
拱；
ina—是否为直线；1：
直线，2：
曲线；
r30—内缘半径长度；
s—围岩类别；
rg—围岩容重；
cg—混凝土容重；
ce—侧压力系数；
b—洞室跨度；
pcent—二次衬砌承受的总围岩压力的百分比；
nc—1：
深埋，0：
浅埋；
fai——内摩擦角；
h1—埋深；
afa—地面倾角；
nedi—水平压力分布形态；1：
矩形，2:
梯形；
ia—0：
混凝土衬砌，1：
圬工衬砌，2：
混凝土拱、边墙石砌体；
ir—0：
连续灌注，1：
间歇灌注；
iw—0：
岩体地基，1：
土质地基；
ie—0：
暗洞，1：
半路堑明洞，2：
棚式明洞；
rl—混凝土极限抗拉强度；
ry—混凝土极限抗压强度；
sry—石砌体极限抗压强度；
m1—左拱脚编号；
m2—右拱脚编号；
pkcl—混凝土容许抗拉平安系数；
pkcy—混凝土容许抗压平安系数；
pksy—石砌体容许抗压平安系数；
psigml—左基底容许应力；
psigmr—右基底容许应力。
断面比选〔以Ⅳ级围岩深埋为例〕
输入与输出结果文件如下：
例.浅埋单心圆
输入文件：
301
810
1411
1411
1412
1422
31*300
30*3.0e04
3.00.0200.0230.4313.610.40032.023.014.00.01
六、程序使用说明
1.程序使用步骤
每套分析程序由结构计算程序和绘图程序两局部组成,使用步骤如下：
（1）手工准备必须的结构计算原始数据文件〔大约60个数据〕和图形输出原始数据文件〔5个数据〕，数据含义说明见第2点；
（2）运行结构计算程序，计算结果输出为结果文本文件和图形数据文件两局部，其中图形数据文件为绘图程序所需的数据，在运行绘图程序时由计算机自动读入，然后再运行图形显示程序,然后根据出现的菜单提示,敲入显示某个图形的代码（1～5）,即会在屏幕上出现相应的图形;任一图形只要按相应代码,可反复显示或打印。
（3）翻开结果文本文件可查看计算结果；
（4）运行绘图程序可显示计算图式、弯矩图、轴力图和位移图。
2.绘图程序
irat－计算图示绘制比例；rati－围岩荷载图绘制比例；
ratn－结构轴力图绘制比例；ratm－结构弯矩图绘制比例；
ratd－结构位移图绘制比例。
操作系统Win98（2000）或DOS6.22及以上版本;FORTRANStation4.0或FORTRAN5.0及以上版本;
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