1、同济曙光 TBM 水工隧洞设计分析软件用户手册上海同岩土木工程科技有限公司二七年九月目 录第一章 系统概述 .11.1 软件系统构成 .11.2 系统加密机制 .11.3 系统需求 .11.4 主要术语 .2第 2 章 软件使用说明 .32.1 启动程序 .32.2 规范选择 .42.3 设置材料 .62.4 设置断面 .92.5 网格剖分 .112.6 围岩基本信息 .122.7 设置工况 .122.8 地层弹簧 .142.9 围岩压力 162.10 衬砌自重 .192.11 衬砌自重 .192.12 外水压力 .202.13 灌浆压力 .212.14 地震荷载 .222.15 温度荷载 .
2、232.16 控制参数设置 .232.17 计算图例和模型 .272.18 分析求解 .282.19 查看结果 .282.20 报告输出 .322.21 注意事项 .33第三章 通用功能 .343.1 文件操作 .343.2 编辑 .363.3 查看 .373.4 窗口 .38附录 A TBM 隧洞建模实例 40第一章 系统概述1.1 软件系统构成TBM 水工隧洞设计分析软件用于计算盾构水工隧洞在设计荷载作用下的结构内力。软件由 TBM 水工隧洞设计分析软件主程序(前、后处理)和 TBM 水工隧洞设计分析软件计算程序组成。TBM 水工隧洞设计分析软件主程序包含了前、后处理的所有功能，用户从建立
3、计算模型到分析以及查看计算结果均在主程序中进行。其中前处理的功能是根据用户输入的数据建立分析模型。计算程序（嵌于主程序中，不能被单独使用）用于对模型数据进行有限元分析，并输出相应的计算结果。后处理功能则用于将计算结果用直观的方式显示出来。通过使用 TBM 水工隧洞设计分析软件，用户只须将隧洞断面、材料信息、荷载、边界条件等参数，就可从获得变形图、等值线、应力分布曲线及内力图等易于理解的直观结果，用户不必关心与有限元理论相关的中间处理过程。1.2 系统加密机制软件狗是防止软件系统不被非法使用而设计的基于硬件的保护系统，它用于确保 TBM 水工隧洞设计分析软件只能在加有软件狗的微机上作用。当用户要
4、在某台计算机上使用该软件时，必须首先将软件狗插到本机的打印机口上，否则运行软件时，系统将会出现软件狗没有找到这一错误信息。1.3 系统需求要运行 TBM 水工隧洞设计软件，必须要有以下的硬件和软件的支持： Windows 95 或 Windows 98 或 Windows NT3.51/4.0 或 Windows2000推荐使用 Windows 98 或 Windows NT4.0 或 Windows2000，如果使用Windows 95 则一定要有 Internet Explorer 4.0 或以上版本。 Intel 486 或 Pentium 或其它兼容处理器 16MB 以上内存 20MB
5、 硬盘空间 交换文件大小视模型的大小而定 640*480*256 色显示器 推荐使用 800*600 以上分辨率，真彩色的显示器 鼠标1.4 主要术语管片 ：圆弧形结构物，用来拼装成隧道外轮廓，本软件指预制的混凝土管片；衬砌 ：由管片通过无螺栓接头或有螺栓接头连接而成，一环衬砌由几块管片构成；环向螺栓 ：为了构成衬砌环，连接管片用的螺栓，本软件以管片接头形式模拟螺栓的作用。纵向螺栓 ：衬砌环之间相互连接的螺栓，在本软件计算模型示意图中，以 表示。管片接头 ：在隧道横断面上连接管片形成衬砌环的部分，在本软件计算模型示意图中，以 表示。管片材料 ：在本程序中，按平面应变问题取 1 米进行计算截面的
6、转动惯量、面积；弹性模量可以从规范上查得。管片宽度 ：在隧道纵向量测的管片尺寸，同时也是衬砌宽度。管片厚度 ：在隧道纵断面的半径方向测得的管片侧壁的高度。 管 片 宽 度管片高度放 水 带 槽嵌 缝 槽图 1.4.1 管片宽度、厚度示意图管片分布自重 : 容重乘以管片厚度(不要再乘以宽度)。第 2 章 软件使用说明2.1 启动程序在正确安装曙光软件后，选择 开始 程序 同济曙光 4.0 TBM水工隧洞分析。即可进入软件的主界面，如图 2.1.1 所示：图 2.1.1 TBM 水工隧洞设计分析软件主界面单击主菜单上的建模向导和计算结果，分别如图 2.1.2、2.1.3 所示：图 2.1.2 建模
7、向导菜单 图 2.1.3 计算结果菜单用户只需要按照建模向导菜单的顺序依次操作即可完成盾构隧道的内力分析，下面逐个介绍菜单的意义和对应对话框的操作。2.2 规范选择从建模向导菜单中选择 ，或者从工程窗口中单击 。弹出如下对话框。图 2.2.1 规范选择本 TBM 施工水工隧洞设计软件共考虑了两套设计规范：水工隧洞设计规范（SL279-2002） 和水工钢筋混凝土结构设计规范（SDJ20_78） （以下将第一套设计规范简称：旧规范） ；水工隧洞设计规范（DL/T5159_2004） 和水工钢筋混凝土结构设计规范（DL/T_5057_1996） （以下将第二套设计规范简称：新规范） 。程序中默认选
8、择为第一套设计规范，即：水工隧洞设计规范（SL279-2002） 和水工钢筋混凝土结构设计规范（SDJ20_78） 。用户可以如下图红圈所示的下拉菜单对规范进行选择。图 2.2.2 规范切换在默认的情况下，点击“规范参数设置” ，会弹出如下所示的对话框：图 2.2.3 规范参数设置共有三项设置，分别是材料、配筋参数设置和抗裂。如上图红圈所示。当前显示的是“材料”设置对话框，在其中可以设置材料参数值。图 2.2.4 规范参数设置配筋参数设置点击“配筋参数设置”弹出如图 2.2.4 所示的对话框。点击“抗裂”弹出如下对话框：图 2.2.5 规范参数设置抗裂2.3 设置材料建模向导 设置断面材料建模
9、向导 设置断面材料 管片图 2.3.1 管片材料编辑器对话框操作提示转动惯量、面积均是取 1 米进行计算。混凝土弹性模量按规范取值。转动惯量和面积根据管片宽度和衬砌厚度计算得到。管片宽度项填实际管片宽度。 ，其中 为管片容重， 为管gP片厚度。建模向导 设置断面材料 管片接头图 2.3.2 管片接头编辑器对话框接头模式分为线性、双线性和非线性三种模式：1、接头线性模式 NunknQvskMk正负不对称 正负对称 正负不对称图 2.3.3 接头线性模式关系表达如下： 00uKNn vKQs0KM2、接头双线性模式NnknuQv2sk1mVM2k12km正负不对称 正负对称 正负不对称图 2.3.
10、4 接头双线性模式关系表达如下： 00uKNn msmss vKvQ221)(（ ）lllmlM221)( ,l3、接头非性模式 Nmunknk Qv2sk1mVM1k22k1正负不对称 正负不对称 正负不对称图 2.3.5 接头非线性模式关系表达如下： 00uuKNnmmsmss vKvQ221)( 0)1(ceaMb建模向导 设置断面材料 纵向螺栓图 2.3.6 纵向连接螺栓编辑器对话框管 片 接 头sn环 间 螺 栓环 间 接 头21svuinqq图 2.3.7 纵向连接螺栓剪切模型其基本原理如下：I vuKsqnsqn式中： 纵向连接螺栓周向刚度；nqK纵向连接螺栓径向刚度。s注意：只
11、有在错缝拼装的情况下，为了模拟错缝拼装效应，这两个参数才起作用。2.4 设置断面建模向导 设置断面用来输入隧洞的几何参数，弹出如下的隧洞基本几何参数对话框。图 2.4.1 隧洞基本几何参数对话框结果如下所示：图 2.4.2 隧洞几何模型参数含义管片总数 ：一环管片的总数。衬砌外直径 ：输入衬砌外轮廓的直径，以毫米为单位。 1D衬砌内直径 ：输入衬砌内轮廓的直径，以毫米为单位。2纵向螺栓数 ：输入每个管片上的纵向螺栓数。右侧第一个螺栓与管片右侧的夹角 ：输入 的角度值。 11左侧第一个螺栓与管片左侧的夹角 ：输入 的角度值。22 图 2.4.3 水工隧洞几何图操作提示在“管片排布”中，编辑螺栓数
12、、 和 ，其他三项程序自动计算。12螺栓间夹角由程序自动计算。在参数全部输入后，选择自动计算复选框 ，程序自动计算。2.5 网格剖分建模向导 网格剖分弹出如下对话框：图 25.1 网格控制参数设置对话框单击“确定” ，得到如下图所示的几何计算模型。图 2.5.2 隧洞网格剖分后计算模型2.6 围岩基本信息建模向导 围岩基本信息弹出围岩基本信息对话框。图 2.6.1 地层信息对话框参数含义围岩压力折减系数 ：考虑实际情况对围岩计算压力进行折减。i2.7 设置工况建模向导 设置工况弹出荷载工况组合对话框，如图 2.7.1 所示。图 2.7.1 荷载组合对话框操作提示这里默认提供设计过程中往往必须计
13、算的三种工况组合：1、运行期组合：围岩压力衬砌自重弹性抗力内水压力外水压力；2、检修期组合：围岩压力衬砌自重弹性抗力外水压力；3、施工期组合：围岩压力衬砌自重弹性抗力外水压力灌浆压力。组合的原则是：计算荷载应根据基本荷载和特殊荷载同时存在的可能性，分别组合为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。荷载组合应切合实际，如作为特殊荷载的地震荷载不应与其他特殊荷载组合；例如组合后有抵消其他荷载作用时，该荷载应选择较小值。对不同控制工况应认真分析和选用不同的荷载组合，如发电引水隧洞检修工况的外水压力应考虑内水外渗对围岩渗流场的影响，即地下水位的变化，按运行后最高地下水位计算。在衬砌结构计算中应采用各自的最不利
14、组合情况，以保证衬砌结构在各种工况下的安全。水工钢筋混凝土结构设计规范SDJ20-78 规定按单一安全系数极限状态设计方法进行设计计算，故这里的分项系数全部取为 1.0。说明：在选择了旧规范后，分项系数全部默认为 1，并且编辑框不可编辑（即呈灰色） ；如果一旦选择新规范，则分项系数的值可以由用户输入，如下图所示：图 2.7.2 荷载组合对话框2.8 地层弹簧概念：当隧道处于不同的地层之中，一般采用的方法是将隧道所处的地层参数均一化，如图 2.8.2 所示，本程序将这种处理方法称为单一地层法。当隧道所处的地层参数相差很大时，这种处理方法会带来计算上的误差，可以采用不同地层施加不同地层参数的方法，
15、如图 2.8.3 所示。一般而言，水工隧洞可用单一地层法来处理，故这里选用单一地层法。盾 构 隧 道 所 处 地 层 参 数 平 均 化图 2.8.1 地层参数加权平均概念图约 束 弹 簧 采 用单 一 刚 度 系 数 1k2k2k3k图 2.8.2 单一地层法采用的地层弹簧系数 图 2.8.3 复杂地层法采用的地层弹簧系数地层抗力即是地层对地下结构的反作用力。当地层抗力为零时，作用在衬砌上的荷载为静止荷载；当结构对地层产生挤压时为被动荷载，此时地层抗力为正；当结构背离地层有位移时，为主动荷载，此时地层抗力为负。作用在衬砌上的初始静止荷载可由覆盖土层厚度或泰沙基公式给出。局部弹簧与全周弹簧的差
16、别在于反向地层力的施加，局部地层弹簧模式在地层与结构的脱离区不施加荷载而在全周地层模型中考虑到荷载的折减，施加反向的地层抗力。 PgPg局部地层弹簧模式 全周地层弹簧模式图 2.8.4 地层抗力作用模式图 2.8.4 给出了地层对结构反作用的局部弹簧和全周弹簧两种作用模式。地层弹性抗力由下式给出：II ，nnUKFss其中：III ，0nn 0sss式中： 为法向和切向的抗力； 为相应的地层弹簧系数，且snF, snK,分别为被动区（压缩状态）和主动区（拉伸状态）的地层弹簧系数，对K,局部弹簧作用模式来说，设计中 赋为零值。在设计计算过程中，为判断主、被动区的确切位置，需以迭代法作变形控制分析
17、。建模向导 地层弹簧图 2.8.5 地层弹簧系数对话框2.9 围岩压力建模向导 添加荷载建模向导 添加荷载 围岩压力 直接输入法弹出直接输入法荷载计算对话框。图 2.9.1 直接输入法荷载计算对话框建模向导 添加荷载 围岩压力 系数法弹出系数法荷载计算对话框。图 2.9.2 系数法荷载计算对话框建模向导 添加荷载 围岩压力 普氏法弹出普氏法荷载计算对话框。图 2.9.3 普氏法荷载计算对话框建模向导 添加荷载 围岩压力 泰沙基法弹出太沙基法荷载计算对话框：图 2.9.4 太沙基法荷载计算对话框建模向导 添加荷载 围岩压力 深浅埋隧洞法弹出深浅埋隧洞法荷载计算对话框：图 2.9.5 深浅埋隧洞法
18、荷载计算对话框操作提示直接输入法中可以通过输入不同的顶部围岩压力值来考虑偏压的情况。可以直接在各种方法的计算结果中修改计算结果。2.10 衬砌自重建模向导 添加荷载 衬砌自重弹出衬砌自重荷载计算对话框：（即为材料编辑对话框）图 2.10.1 材料编辑对话框此处调出此对话框，是为了提醒用户，衬砌自重在设置材料时已经考虑了。2.11 衬砌自重建模向导 添加荷载 内水压力弹出内水压力计算对话框：图 2.11.1 内水压力对话框系统中考虑了设计条件和校核条件下的内水水头，并将隧道底部水平中轴线设为基准线，即基准线处的水头为零。2.12 外水压力建模向导 添加荷载 外水压力弹出外水压力计算对话框：图 2
19、.12.1 外水压力对话框系统中考虑了设计条件和校核条件下的外水水头，并将隧道底部水平中轴线设为基准线，即基准线处的水头为零。2.13 灌浆压力建模向导 添加荷载 灌浆压力灌浆压力的输入参数为灌浆压力值。根据规范，灌浆压力值一般在0.3MPa0.5MPa 之间。灌浆压力的添加有两种方式，一种通过建模向导菜单中选择添加荷载下一级菜单中的灌浆压力项，另一种通过工程窗口中的添加荷载下一级菜单中的灌浆压力项进行添加。用户还需要自行选择灌浆范围，在进行上一步操作后，将出现如下图所示的提示窗口：图 2.13.1 灌浆压力灌浆范围的确定通过节点进行选择。节点的显示可以通过显示菜单项中显示节点进行显示，或者通
20、过下图所示的按钮进行显示。图 2.13.2 显示节点在得到节点图中，用户可以单个选择或者框选需要施加灌浆压力的节点如图 2.14.3，选择完毕右键点击，出现如图 2.13.4 所示的灌浆压力输入框：图 2.13.3 选择节点 图 2.13.4 灌浆压力输入灌浆压力值，确定，所选择的节点将施加灌浆压力。2.14 地震荷载建模向导 添加荷载 地震荷载地震荷载的计算是依据工况考虑的因素来确定的，计算方法为拟静力法。图 2.14.1 地震荷载计算2.15 温度荷载建模向导 添加荷载 温度荷载由于衬砌混凝土的干缩和热胀冷缩，而且由于衬砌外侧围岩阻碍衬砌的自由膨胀，所以在衬砌内部产生温度应力。图 2.15
21、.1 温度荷载施加2.16 控制参数设置建模向导 求解控制参数对盾构的计算模型、分析方法进行选择，它包括三个属性页，如下所示。建模向导 求解控制参数 计算模型图 2.16.1 求解控制参数向导 1计算模型对话框操作提示对管片的离散化采用了两种型式：直梁和曲梁，直梁模型是曲梁模型的一种特殊形式，数值计算结果表明，当剖分单元取得足够小时，完全可以由直梁模型代替曲梁模型，将复杂问题简单化。对管片接头的模拟采用了三种型式：匀质圆环、弹簧元和接头元。匀质圆环（修正惯用法）：将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体的弯曲刚度的降低、管片是具有 （弯曲刚度的有效率 ）弯曲刚度均匀的环EI1（平均刚度均匀环）的方
22、法。考虑到错缝接头的接头部分弯矩的分配，在从根据 均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减 （弯矩EI 的提高率 ） ，设 为主截面的设计弯矩， 为接头的设计用弯1M)(M)1(矩。弹簧元：将管片视为梁，而将接头视为具有一定转动刚度的弹簧联接件。其中梁可分为直梁或曲梁，弹簧用于综合模拟管节接头的形式、防水充填材料的性态。梁弹簧模型是目前普遍采用的计算模型，推荐使用。kns图 2.16.2 梁 弹 簧 模 型接头元：由于管片之间存在不连续面，模拟管片间的连接时，宜引入以考虑点与点接触为特征的接头单元模拟管节间接头的不连续性，梁接头与梁弹簧模型相比可以得到：两相邻管片接头间的相对不连
23、续变形量，可以得到连接螺栓的内力特别是剪力，接头的非线性效应可以得到有效的模拟。 12ns1图 2.16.3 梁 接 头 模 型建模向导 求解控制参数 管片拼装图 2.16.4 求解控制参数向导 2管片拼装对话框操作提示：盾构隧道拼装方式分为通缝和错缝，错缝分为 A-B-A、A-B-C 两种方式。曙光软件中对错缝拼装效应采用纵向螺栓剪切模型，采取三环计算。错缝 A-B-A 拼装示意图：第一环 A 型环 第二环 B 型环 第三环 A 型环错缝 A-B-C 拼装示意图：第一环 A 型环 第二环 B 型环 第三环 C 型环管 片 接 头sn环 间 螺 栓环 间 接 头图 2.16.5 计算用三环管片环拼装示意图参数含义前后环与当前环转动螺栓数： 确定相邻环的位置。建模向导 求解控制参数 迭代控制图 2.16.6 控制参数向导 3迭代控制对话框增量加载总数： 在进行接头的双线性，非线性分析时，控制荷载施加的增量值，总荷载值/增量加载次数即为每一步施加的荷载值，当接头采用线性分布时选用默认值即可。增量输出控制参数： 当采用分步加载时，每一步的结果是否输出，填 0 时为不输出计算结果，填其他的值为输出结果，当采用线性接头时可以采用默认值。
