西南交大工程实践作业.docx
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西南交大工程实践作业
《工程计算实践》
课程作业
姓名：
***
学号：
***
学院：
土木工程学院
专业：
桥梁与隧道工程
任课教师：
刘大刚副教授
二〇一五年六月二十一日
忻州隧道设计
1工程概况
忻州隧道设计为单洞双线隧道，线间距为5m。
隧道进口里程DK204+580，出口里程DK207+663，全长3083m。
在DK205+650处设置1座斜井，其长度为290m。
隧道进口~DK205+190.1段位于直线上、DK205+190.1~出口端位于8000m的右偏曲线上。
隧道进口~DK206+000段设3‰的上坡，DK206+000~出口段为6.16‰的上坡。
埋深最大50m。
支护结构的主要参数如下：
（1）隧道腰部和拱部初期支护厚25cm，二次衬砌厚45cm，仰拱初期支护厚度为10cm，二次衬砌厚度为55cm。
（2）初期支护采用C25喷射混凝土，二次衬砌采用C30混凝土，采用I20b钢架加强，间距为0.6m，弹性模量为210GPa。
（3）隧道围岩级别为V级，跨度14.7m，高度12.03m，隧道深埋50m。
如图1-1为我国高速铁路隧道的衬砌断面型式。
图1-1隧道断面图（单位：
厘米）
材料参数如表1-1所示。
表1-1材料物理力学参数表
围岩及结构
容重/kN/m3
弹性模量/GPa
泊松比
凝聚力/GPa
内摩擦角/°
C25钢筋混凝土
25
27.5
0.2
——
——
V级围岩
17
1.0
0.35
0.2
27
2构建模型
因隧道埋深50m、跨度14.7m和高度12.03m，所以本次计算模型左右边界取2倍洞径约30m，隧道至上边界50m，下边界取2倍洞径约25m。
总的来说，模型长高87.03m，宽74.7m，总体模型单元总数为1842，节点总数为1815。
计算模型如图2-1所示。
图21计算模型
3建模步骤
3.1确定分析标题及类型
FINISH
/clear
/TITLE,GCJSSJ
/NOPR
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
/COM,
/COM,PreferencesforGUIfilteringhavebeensettodisplay:
/COM,Structural
3.2设置单元属性和材料特征
本次计算中采用了两种单元：
用于模拟围岩的实体单元（Plane2）；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的衬砌与临时支护的梁单元（Beam3），因为钢拱架在隧道开挖后对围岩起到很好的支护作用，故本次计算在去Beam3单元的几何常数时，计入了钢拱架在弯曲刚度方面的贡献。
3.2.1单元类型
/prep7
et,1,plane42!
围岩
keyopt,1,3,2!
设置为平面应变模式
et,2,plane42!
待挖围岩
keyopt,1,3,2!
设置为平面应变模式
et,3,beam3!
衬砌
3.2.2实常数
r,1,0.35,0.35*0.35*0.35/12,0.35,,,,
3.2.3材料参数
mp,ex,1,1e9!
围岩
mp,prxy,1,0.35
mp,dens,1,1700
TB,DP,1,,,
TBMODIF,1,1,0.2e6
TBMODIF,1,2,27
TBMODIF,1,3,
mp,ex,2,1e9!
待挖围岩
mp,prxy,2,0.35
mp,dens,2,1700
TB,DP,2,,,
TBMODIF,1,1,0.2e6
TBMODIF,1,2,27
TBMODIF,1,3,
mp,ex,3,27.5e9!
（3）衬砌
mp,prxy,3,0.2
mp,dens,3,2500
save
3.3建立几何模型
3.3.1创建关键点
/prep7
CSYS,0
k,1,6.537,-2.209
k,2,-6.537,-2.209
k,3,5.606,4.023
k,4,-5.606,4.023
k,5,.000,6.900
k,6,0.000,13.048
k,7,-4.937,-3.822
k,8,4.937,-3.822
k,9,-2.494,-4.352
k,10,-4.141,-1.434
k,11,-6.292,-2.743
k,12,4.141,-1.434
k,13,5.469,-3.573
k,14,-37.350,56.900
k,15,-37.350,-30.400
k,16,37.350,-30.400
k,17,37.350,56.900
k,18,-37.350,.000
k,19,37.350,.000
k,20,.000,-30.400
k,21,.000,56.900
k,22,-37.350,18.930
k,23,37.350,18.930
k,24,-37.350,-17.160
k,25,37.350,-17.160
k,26,-22.050,-30.400
k,27,-22.050,56.900
k,28,22.050,-30.400
k,29,22.050,56.900
3.3.2创建线
/prep7
larc,1,5,3
larc,5,2,4
larc,7,8,9
larc,2,7,11
larc,8,1,13
l,14,15
l,15,16
l,16,17
l,17,14
l,18,19
l,20,21
l,22,23
l,24,25
l,26,27
l,28,29
3.3.3创建面
/prep7
al,1,2,4,3,5
al,6,7,8,9
asba,2,1,,delete,keep
asbl,3,14,,delete,keep
asbl,4,11,,delete,keep
asbl,3,15,,delete,keep
*do,i,4,6
asbl,i,12,,delete,keep
*enddo
asbl,2,12,,delete
*do,i,8,10
asbl,i,10,,delete,keep
*enddo
asbl,3,10,,delete,keep
*do,i,10,13
asbl,i,13,,delete,keep
*enddo
ldele,13
asbl,1,10,,delete
asbl,13,11,,delete,keep
asbl,19,11,,delete
lcomb,36,4
lcomb,4,23
lcomb,39,5
lcomb,5,9
numcmp,all!
压缩所有元素编号
save
3.4划分网络
3.4.1设置线网格划分
/prep7
lsel,s,line,,all
lsel,u,line,,2,48,46
lsel,u,line,,4,6
lsel,u,line,,28,36,4
lsel,u,line,,9,11,2
lsel,u,line,,34,44,10
lesize,all,3
lsel,s,line,,2,6,4
lesize,all,,,15
lsel,s,line,,4,5
lesize,all,,,14
lsel,s,line,,36,48,12
lesize,all,,,8
lsel,s,line,,9
lesize,all,,,7
lsel,s,line,,11
lesize,all,,,6
lsel,s,line,,28,32,4
lsel,a,line,,34,44,10
lesize,all,,,15,10,,,,
3.4.2设置面网格划分
/prep7
allsel,all
type,1
mat,1
amap,2,3,28,31,30
amap,16,30,31,35,26
amap,17,26,35,33,32
amap,8,32,33,28,3
asel,s,area,,all
asel,u,area,,1,2
asel,u,area,,16,17
asel,u,area,,19,20
asel,u,area,,8,13,5
amesh,all
allsel,all
type,2
mat,2
asel,s,area,,1,19,18
asel,a,area,,13,20,7
amesh,all
3.4.3创建衬砌单元
/prep7
type,3
mat,3
real,1
e,1,3!
左
*do,i,3,15
e,i,1+i
*enddo
e,16,2
e,2,273
*do,i,273,284
e,i,1+i
*enddo
e,285,257
e,1,719!
右
*do,i,719,731
e,i,1+i
*enddo
e,732,481
*do,i,481,493
e,i,1+i
*enddo
e,494,257
3.4.4创建临时支护单元
/prep7
type,3
mat,3
real,1
e,1,1620!
竖向
*do,i,1620,1624
e,i,1+i
*enddo
e,1625,1619
e,1619,1693
*do,i,1689,1692
e,i,1+i
*enddo
e,257,1689
e,2,1682!
水平
*do,i,1682,1687
e,i,1+i
*enddo
e,1688,1619
e,1619,1632
*do,i,1626,1631
e,i,1+i
*enddo
e,481,1626
allsel,all
4加载与求解
4.1加载与自重应力场求解
4.1.1施加约束条件
/PREP7
nsel,s,loc,x,-37.350
nsel,a,loc,x,37.350
d,all,ux,o
allsel,all
nsel,s,loc,y,-30.400
d,all,uy,0
allsel
4.1.2施加重力加速度
acel,0,10,0
save
4.1.3自重应力场求解
/PREP7
time,1
nropt,full!
采用全牛顿-拉普森法进行求解
allsel
esel,s,type,,3!
选择衬砌单元
ekill,all!
杀死单元
allsel
/solu
solve
finish
save
5CRD法开挖模拟
CRD施工，全称交叉中隔墙法，是一种适用于软弱地层的隧道施工方法，特别是对于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下铁道施工中。
因为其造价高，故在山岭隧道中较少采用，但是在特殊情况下，也可以采用，如膨胀土地层。
采用CRD法预留核心土的方法，将大断面隧道分成4个相对独立的小洞室分部施工。
CRD工法遵循“小分部、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护”的施工原则，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护。
并待初期支护结构的拱顶沉降和收敛基本稳定后，自上而下拆除初期支护结构中的临时中隔壁墙及临时仰拱，再进行施工。
CRD法适用开挖跨度较大，对围岩沉降变形控制严格，采用CRD法开挖，开挖的每一步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，有利于围岩稳定，保证施工安全。
本工程中采用CRD四步开挖工法，应用ANSYS进行开挖过程数值模拟在V级围岩下的开挖，隧道埋深50m、跨度14.7m和高度12.03m，施工断面如图5-1所示，为典型的深埋大断面隧道，施工难度大。
详细施工过程如下：
（1）开挖第一部分，采用喷混凝土沿洞周进行初期支护，采用工字钢（I20b）在中隔墙和仰拱位置进行临时支护，闭合临时仰拱。
（2）开挖第二部分，采用喷混凝土沿洞周进行初期支护，采用工字钢（I20b）在中隔墙和仰拱位置进行临时支护，闭合临时仰拱。
（3）采用相同的工序开挖第三、四部分。
（4）拆除临时仰拱。
注：
下文中enforce,1,0.8代表第一部分开挖中节点应力按原荷载的80%反向施加，即应力释放20%。
图51CRD开挖顺序
5.1开挖第一部分
5.1.1节点力计算
/PREP7
time,1
nropt,full!
采用全牛顿-拉普森法进行求解
allsel
esel,s,type,,3!
选择衬砌单元
ekill,all!
杀死单元
allsel
/solu
solve
finish
save
5.1.2开挖土体—无支护
/sol
allsel,all
antype,,rest
time,2
!
****杀死待挖土体****
asel,s,area,,19
esla,r
ekill,all!
杀死待挖土体
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.5!
考虑5级围岩应力释放率为50%
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.1.3开挖土体—有支护
/sol
!
****杀死待挖土体****
allsel,all
antype,,rest,2,1
time,3
asel,s,area,,19
esla,r
ekill,all!
杀死待挖土体
allsel,all
!
****激活衬砌和临时支护****
lsel,s,line,,48!
选择开挖土体周围线
lsel,a,line,,6,9,3
nsll,r,1!
选择开挖土体周围线上节点
esln,r,1!
节点上所有单元
esel,r,type,,3!
选择待挖土体周围衬砌
ealive,all!
激活待挖土体周围衬砌
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.2!
考虑5级围岩应力释放率为20%
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.2开挖第二部分
5.2.1节点力计算
/post1
allsel,all
lsel,s,line,,48
lsel,a,line,,4,11,7
nsll,r,1
esln,r
asel,u,area,,13
esla,r
nforce,all
allsel,all
finish
5.2.2开挖土体—无支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,3,1
time,4
!
****开挖土体****
asel,s,area,,13,19,6
esla,r
ekill,all
!
****激活原有衬砌与临时支护挖土体****
lsel,s,line,,48
lsel,a,line,,6,9,3
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.5
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.2.3开挖土体—有支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,4,1
time,5
!
****开挖土体****
asel,s,area,,13,19,6
esla,r
ekill,all
allsel,all
!
****施加衬砌与临时支护****
lsel,s,line,,48
lsel,a,line,,6,9,3
lsel,a,line,,4,11,7
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.2
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.3开挖第三部分
5.3.1节点力计算
/post1
allsel,all
lsel,s,line,,36
lsel,a,line,,2,9,7
nsll,r,1
esln,r
asel,u,area,,1
esla,r
nforce,all
allsel,all
finish
5.3.2开挖土体—无支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,5,1
time,6
!
****开挖土体****
asel,s,area,,1,13,12
asel,a,area,,19
esla,r
ekill,all
!
****激活原有衬砌与临时支护挖土体****
lsel,s,line,,48
lsel,a,line,,6,9,3
lsel,a,line,,4,11,7
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.5
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.3.3开挖土体—有支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,6,1
time,7
!
****开挖土体****
asel,s,area,,1,13,12
asel,a,area,,19
esla,r
ekill,all
allsel,all
!
****施加衬砌与临时支护挖土体****
lsel,s,line,,2
lsel,a,line,,6,9,3
lsel,a,line,,4,11,7
lsel,a,line,,36,48,12
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.2
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.4开挖第四部分
5.4.1节点力计算
/post1
allsel,all
lsel,s,line,,36
lsel,a,line,,5,11,6
nsll,r,1
esln,r
asel,u,area,,20
esla,r
nforce,all
allsel,all
finish
5.4.2开挖土体—无支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,7,1
time,8
!
****开挖土体****
asel,s,area,,1,13,12
asel,a,area,,19,20
esla,r
ekill,all
!
****激活原有衬砌与临时支护****
lsel,s,line,,2
lsel,a,line,,6,9,3
lsel,a,line,,4,11,7
lsel,a,line,,36,48,12
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.5
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.4.3开挖土体—有支护
/sol
allsel,all
antype,,rest,8,1
time,9
!
****开挖土体****
asel,s,area,,1,13,12
asel,a,area,,19,20
esla,r
ekill,all
!
****施加衬砌与临时支护****
allsel,all
lsel,s,line,,2,5,3
lsel,a,line,,6,9,3
lsel,a,line,,4,11,7
lsel,a,line,,36,48,12
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ealive,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,1,0.2
allsel,all
/sol
solve
finish
save
5.5拆除临时仰拱
/sol
allsel,all
antype,,rest,9,1
time,10
!
****开挖土体****
asel,s,area,,1,13,12
asel,a,area,,19,20
esla,r
ekill,all
!
****拆除临时支护****
esel,s,mat,,3
ealive,all
lsel,s,line,,9,11,2
lsel,a,line,,36,48,12
nsll,r,1
esln,r,1
esel,r,type,,3
ekill,all
allsel,all
finish
!
****施加节点荷载****
/prep7
allsel,all
enforce,all,0!
对洞周节点施加荷载
allsel,all
/sol
solve
finish
save
6计算结果分析
6.1建立单元表
etable,ni,smisc,1!
单元I点轴力
etable,nj,smisc,7!
单元J点轴力
etable,qi,smisc,2!
单元I点剪力
etable,qj,smisc,8!
单元J点剪力
etable,mi,smisc,6!
单元I点弯矩
etable,mj,smisc,12!
单元J点弯矩
etable,refl!
更新单元表
6.2临时支护与初期支护轴力分析
通过定义的单元表可以输出衬砌与临时支护上的轴力，如输出第一步开挖结束时支护上的轴力命令流如下：
esel,s,type,,3!
选择支护单元
set,3!
读入第三计算步（对应于第一不分开挖结束）
etable,refl
/title,ZL_1diagram!
定义图标题
plls,ni,nj,0.2,0!
显示轴力图
/image,save,ZL_1_3,jpg!
输出轴力图为jpg图片
根据定义好的单元表，若需要输出各步开挖结束时的轴力图，只需要读入相应的计算步结果文件，再更新单元即可，依次读入各个计算步结果，输出各部分开挖结束时轴力如图6-1~6-5所示。
图61第1部分开挖结束时支护轴力（N）
图62第2部分开挖结束时支护轴力（N）
图63第3部分开挖结束时支护轴力（N）
图64第4部分开挖结束时支护轴力（N）
图65临时支护拆除后支护轴力（N）
6.3临时支护与初期支护弯矩分析
通过定义的单元表可以输出衬砌与临时支护上的弯矩，如输出第一步开挖结束时支护上的弯矩命令流如下：
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