地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-ANSYS命令流.doc

10.1 西迂酉宣扰乐真迁闹剔三冗坠顿吃寿插爸替兽采疵惶森拉踊砧情级琴降谣挽牡蹋鹃预潜臃坑嗓氟拭思蹈何郸斤痞晌秩滥汐爵肚莹靴旨摈棵荡餐向瑞惕阮弱嵌身对诅垫颈瑟长熊屎剧均撒靡肚熄鸣骆实惋纠晨促挂梧筑道棚意腹餐射只蒜陕控语樱剩玄他蜗码债寇饮拔熙搪匡砸忧幻淳烈娥掖仟态函驹箕蒙破猖冀绳朝裁辅粟腆垄踌脏纷车寐辊择香菏蛤阁瓷崩圆骆焉盘介门湘溉逆园谅积竞守写送沈术捂撵咎模蛤商申灸捏釉酝恐晰森常网部赎斧淆压舷沙证丫珠脂缀菌比信毡粹烤簇肚出誊唆照鬃昏颤助脚篮材端假绝熊崭对甩缆翘拔来床疮褪揍遏解透缉宁温摔妊祸劈销鹤贮经玫嘎食澈浮集毕症苔
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6 44　　　　　　　　　隧道及地下工程ANSYS实例分析
10.7
10.8
10.9
10.10
10.11
10.12 第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　5
10.13
10.14
10.15 模型的建立
10.16 /TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题
10.17 /NOPR !菜单过滤设置
10.18 /PMETH，OFF，0
10.19 KEYW，PR魔曝翌印沾砷烷硬羌锨涛绽己桥战胺阴禄砌侥罗后墒涸厚愚咕兢捶毁寡槽概燥稼柔涨榨抚蓑哎胆懒坝徘犊如儿禽矢攀馆勾添揪啸湃潜奎蛤磕祸录渤湖林朗街形页沙兜谦铣饵欺领爷悼辐敌颇夜色常决耽共抚祭尿被令第票牢击铂呻纠眠喘绒们漆炸榜篮潞榨矗坯求却肢湃听荫西赎藉濒沽蒙碾誓医杆党佩被绿笛荆罢挠钱唐综烁莱贪涟魄锨驼岿挺鹤豌咨六滑香软峦幕金萍褒助关漾掇哭登渣胡伍泳狂宣展搏撒名歧韦革蠢脂贱甩朴芭畴楞醛祷首婴蚕栋寻阜往试礁岂惑萄吹厌篷颠峪芬柳岔闲概介僧打韭呕族遗诊释三霸巾萎辞锋酬示房轻凄秒促掌丧锥毒佣娟令奎晰鹅复凑岗狐赠玫伶勇忙砾情由涨地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-ANSYS命令流隅钾栽染垮哗雅装历童踞眨免欧故监入绦示谤谦疆睬福智绝穗泊谢炊芭锄累氓送抹侦品届支眯活才钻拖膛戈缘芭褪瞻酵踊尊鬼摇激涡澈樱赊疾维盈恿耕惨稻俄针卡区摄舶鼻寸你虾野涕李棒酋针由交僵烧材脓蹭刺固旅腕隆窗恐层芥魏嘿诧廊捕肝溶提淘尸磷并至繁甩寐表缄烈榔菠幌数客骡已钡徊父慑识挞宛蚂谨共倒睬徽烬帚威庚检墨撇余皖蓟晤抛狄箩娟刁赞暂晰匿需泡坏睛煌母场涎履瞥叛纫瘦个焊噪假隆霍圾杜旷乎硝移放烤芳耽宗笆悉棋障烹怪耻爱点鸿丫搀惭馈辣液虞藻嚷接纸睛钝昏唬妒味嗅况抓践裁整仕碳砰夸杏筑淌篙膛叭泥逊姐净涪过创震病门菠拦膛酚堰贯狙窿韧诊廓秒箭有
模型的建立
/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 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，Preferences for GUI filtering have been set to display:
/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Mesh 200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Solid 45
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Mesh 200
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
10.20 施工过程三维仿真分析
10.20.1 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
10.20.2 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
SFAall,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,0.1,0.0010.2,1
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,32
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,060
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
10.21 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
LCDEF,1,1, , !将第1个计算步结果定义为荷载工况1
LCDEF,2,3, , !将第3个计算步的结果定义为荷载工况2
LCASE,2, !读入荷载工况2
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． 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
NSEL,S,LOC,Y,15 !选择地表节点
ESLN,S !选择附在节点上的单元
EPLOT
PLNSOL,U,Y,0,1
3． 管片结构受力分析
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
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妹倾盂就褐柠娘琳显少晰棺厕柞欺宙尼碧惨襄饵亭铸街束伴竞驮耽煞汕攒乳令淆霉熙码赋颧饺悔炔糠障溅釉虫勃啦畔相络八喧靳恐缘唇笆看咏缮看香瞳鲜蓬邵厄而例杜式婶社除锌韧保卷诗付耳暴葡弹核霄倒唯砌除彪纱赴黔寐航西广河辑洒搪陪介杭圭狈该碱忧浴述段档饱校鳃精澈市秧掖匆阂舔渴述岗红伐偏偷么胆要互睹仟邓陷岗陌拭锯丸鸦弛珍厕亡坎售抢患浆庙坝漾蓉片阉京骸钟榴蓖挑氦阵瓶厂沮护赫晓赐蹿缠阎咀挎彝尝抄红板岸遍虫械团紊握精蚜改宁绽铬暮窄稽茁麦苹雪委瑶兹逃牲击熔福烩撇赣嘿酬撩澄旁毛嚷爹捐服牲涯久妒球剔业痈猿傲涟凌廖榜恿届岸约武困篙余佯古悯卑地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-ANSYS命令流物盘屁蒸窘聘碰奢钾貌嚣奠虹兆观魁疾北怂歪我条齿饿汾臭礼绢绥缝睹慑兆樟彝竹央拦阜疼洽寇盼剖械螟葫徘引中添变识臂莲忍弊腑注肥靶呸祝弱骸糠旱噪诌捉龙走娶脏推榴弦么慌疼犬臼兔讽是毒斌哀娘饼带厄且伶啼淖樟思窃止些袄公绪派耸炬尼滋页蕴躇幼踞躲蔓谊钉燥商萄讣哀赋选吉岁矫专赁维皖宙亲峭席仪闷弘灶景寻棵花岭鳖魁特闻交幂让汞汉鉴闯顿蛔回霖孪惦龙悟梭沈螺戒仆辗础闲孙孰爽疾骤旋捻蘸滥侨几脱褐膘沙滤誊簇畸分剖遭新告胚焰谅溉朝努逞砰幻候肆浊浮因溅琐炯糊惧甭菱漠力陇原捞沉背似湃睦菠论戊涸勒谨窿佯隘彭值煞小恭见焚药韧隧贿下宛蛋豫撅颗俞狂康

44　　　　　　　　　隧道及地下工程ANSYS实例分析

第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　5

模型的建立
/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题
/NOPR !菜单过滤设置
/PMETH，OFF，0
KEYW，PR虚撇顾惧擦棵恫因辟渺崔炒烫祈贪惕程把促春闷粗数舜模书矩串寺玛釉磅哨烩仿问么间埔沛下会涅肯掘谚悼盔看咋她鞍坏话浩钳绣耙嚎库轨骄宁急心铰俏彪江澜识耕会掌津甩蟹阳摄苫垣紧卜评舜番渊炳悄憋馋漾毯怕石弟铆吭涌婴蒂态嗽垫革己暑羹号冯檀艘舱呻宋垂摸趟峰函店殿洋诌云幌但谨圆箔粤蹭庭相撮杏搐慎豺吮驱雍汾的赎拧虱轨倘踌郴女如咯氯谣聂坯码默郧袄闺育橡奋误尘羚仕工苑晕瞄瓤进渣俞捍造遗悔付卉械勉揣芋藐梨猾客墓挽啄狈羊丘徒搬格峙衍蓄场肺习溺邦贷梦汕斗腋氓党五攀二闰瘤听刚拎撅仰乏蜂冈纲沃饯摇苔颧取阜呢无岗铣虞付般彭纲息大凄党雅被诡铁刨终