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ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟.doc

ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟

工程焊工队伍
2013-07-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟doc》,可适用于经济金融领域

隧道工程钢拱架加工网wwwgjcom四川工程焊工队伍QQABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟一、ABAQUS在岩土工程中应用简介:岩土工程中的开挖问题主要是指隧道、基抗的开挖。这些问题的施工过程常常较为复杂如分步骤开挖支挡结构的施工等常规的分析方法处理起来十分困难往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形周围土体的位移等进行分析。ABAQUS由于其本身强健的非线性求解功能在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件与传统商业软件不同ABAQUS是专门为解决工程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。因此本文将采用ABAQUS软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。二、隧道开挖过程问题简介:、模型简介:某个地下隧道由一个混凝土的衬砌支持。建造这样一个隧道涉及到一个非常复杂的土木工程过程。工程界希望能通过数值模拟预测和验证设计建造过程中的各种问题以加快建造过程和优化建造成本并且最大程度的保证安全性。、几何特性:隧道直径米在地下米隧道周围黏土的本构简化为线弹性(E=MPa)混凝土衬砌(E=GPa)厚度为米。图模型示意图、分析思路:隧道的开挖和其他开挖问题类似其实质主要是应力的释放。如果没有衬砌的施工那问题很简单只要在建立初始应力之后移除开挖单元即可。但实际工程中隧道的开挖施工步骤是十分复杂的涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要特别是衬砌单元激活的时机若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序衬砌施工时土体应力已有所释放而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放衬砌起不到支撑的作用。为了解决这一问题研究人员们提出了以下两种方法:、在衬砌施工前将开挖区单元的模量降低移除来模拟应力释放效应。、首先将开挖面上的节点施加约束得到与初始应力平衡的节点力。然后放松约束将节点力加到相应节点处并让节点力的大小随时间递减当减小某一程度时(如~)激活衬砌单元再衰减余下的载荷。三、问题的求解:为对比起见首先进行没有衬砌的隧道开挖问题求解。、没有衬砌时的隧道开挖:Step:建立部件。在Part模块中CreatePart将Name设为soilModelingSpace设为DPlanarType设为Deformable,BaseFeature设为Shell。在图形编辑界面绘制如图所示的几何轮廓。如图所示。图partStep:设置材料及截面特性。在Property模块中创建E=MPaμ=线弹性的材料并创建截面属性和给部件赋予截面特性操作过程如图所示。图设置截面特性Step:装配部件。在Assembly模块中执行CreateInstance建立相应的Instance。Step:定义分析步。在Step模块中建立名字为geo,分析步类型为geostatic和一个名为Remove的静力分析步其时间为初始时间增量步为允许的最大增量步为。操作结果如图所示。图定义分析步Step:定义载荷、边界条件。在Load模块执行BCCreate命令限定模型两侧的水平位移和模型底部两个方向的位移如图所示。图定义边界条件图定义载荷执行LoadCreate命令在Geo分析步中对土体所有区域施加体力以此来模拟重力载荷。操作结果如图所示。Step:划分网格。在mesh模块进行操作。为了便于网格划分执行ToolsPartition命令将区域分成几个合适的区域。图确定单元形状图确定单元类型图网格划分执行MeshControls命令在Meshcontrols对话框中选择ElementShape为Quad选择Technique为Structured。执行MeshElementType命令在ElementType对话框中选择四节点平面应变单元作为单元类型。通过Seed下的菜单设置合适的网格密度然后进行网格划分。操作过程如图所示。Step:修改模型输入文件设置初始应力控制单元生死。修改模型输入文件:由于ABAQUS不支持*INITIALCONDITIONS,TYPE=STRESS,GEOSTATIC功能和*MODELCHANGE功能所以要通过添加关键字来实现。主菜单Model>editkeywords,进入editkeywords对话框然后添加*INITIALCONDITIONS和*MODELCHANGE具体操作如图所示。图定义初始应力语句图移除单元语句Step:提交任务。进入Job模块建立任务然后提交进行计算。、有衬砌的隧道开挖问题:采用模量衰减的方法来模拟应力的部分释放现象。除初始分析步外还需要定义这样的几个分析步:Reduce分析步在此步开挖区模量衰减。Add分析步此步中激活衬砌单元。Remove分析步此步中移除隧道开挖单元。另外还需要定义衬砌单元和定义与场变量FieldVariable相关的弹性模量参数。四、结果分析与对比:、没有衬砌时的隧道开挖问题的结果处理:图没有衬砌的土层表面水平位移和竖向位移进入Visualization后处理模块打开相应的计算结果数据库文件。将土体表面的水平位移U和竖向位移U绘制于图中。由图可见土层表面靠近中心线处的沉降最大随着距离的增加而逐渐减小水平位移则指向中心线大体反映了变形指向开挖面。图给出了隧道周围局部区域的位移矢量图隧道底部回弹顶部下沉同样反映了这一规律。图隧道局部位移矢量图、有衬砌的隧道开挖问题的结果处理:进入Visualization后处理模块打开相应的计算结果数据库文件。()地表沉降变形。图比较了有无衬砌两种情况下地基表面的沉降变形。有图可见有衬砌之后地表最大沉降仅为原先的左右衬砌支撑作用十分明显。同时注意到隧道顶部两侧的土体出现了隆起变形这可解释为由于衬砌刚度较大将隧道底部回弹力向上传递所导致。图衬砌对地表变形的影响()衬砌变形和应力图给出了衬砌的变形前后的形状对比。由图可见衬砌有向隧道中心移动的变形趋势尤其是底板隆起变形要更明显一些。图衬砌的变形前后的形状对比图衬砌内外两侧的轴线方向应力我们比较关心衬砌内的应力结果将衬砌轴向方向应力绘制于图中。图中横坐标代表距离衬砌上顶点的弧线长度。计算结果表明衬砌内主要承受压应力在衬砌最右侧的外侧边缘处压力最大为MPa内边界对应的压力值为MPa压应力的差异体现了衬砌的弯曲变形即外侧有弯曲受拉、内侧受压的趋势这和图中的变形模式是一致的。unknownunknownunknown

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