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基础例题 9⼆维衬砌分析⼆维衬砌分析GTS基础例题9.- ⼆维衬砌分析运⾏G T S 1概要 2
地基反⼒系数 / 3⽣成分析数据 4属性 / 4⼆维⼏何建模 / 7⽣成⼆维⽹格 / 9对齐坐标系 / 11分析 13边界条件 / 13荷载 / 16荷载条件 / 20分析⼯况 / 23分析 / 25查看分析结果26位移 / 26反⼒ / 28轴⼒ / 30弯矩 / 31GTS 基础例题 9
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⼆维衬砌分析
此操作例题主要是针对开挖施⼯的隧道如何建模及查看分析结果进⾏有关⼆维衬砌分析的说明。
由于衬砌模型是进⾏隧道结构的设计,所以定义结构的属性、定义地基弹簧以及定义荷载组合⾮常重要。此例题中我们将介绍
在梁单元上便利的加⼟压、地基弹簧和荷载组合的线性梁单元荷载、曲⾯弹簧⽀撑及组合荷载组为新组的功能。然后利⽤只受压单元(Compression-only Elastic Link)建⽴地基弹簧后进⾏边界⾮线性分析。运⾏GTS运⾏程序。1. 运⾏GTS 程序。2. 点击
⽂件 > 新建打开新项⽬。3. 弹出项⽬设定对话框。4. 项⽬名称处输⼊‘基础例题 9’。5. 模型类型指定为‘2D’。6. 分析约束指定为‘X-Z 平⾯’。7. 其他的直接使⽤项⽬的默认值。8. 点击。
9. 主菜单⾥选择视图 > 显⽰选项...。
10. ⼀般表单⾥⽹格 >节点显⽰指定为‘True’。 11. 点击。12. 点击
关闭显⽰选项对话框。⼆维衬砌分析
2概要
此操作例题中使⽤的数据由于只是为了熟悉分析过程所以与实际⼯程中使⽤的也许会有所不同。例题中使⽤的隧道开⼝部的相关数据和荷载如下。
隧道型式 : ⼆维衬砌 埋 深 : 3m⼟的特性 :
重量密度 s γ = 20kN/m 3 内部摩擦⾓ φ = 30°⼟压系数 K 0 = 1?sin φ = 0.5使⽤材料 :
混凝⼟设计标准强度 f ck = 270 kgf/cm 2重量密度 γ = 25 kN/m 3弹性系数 Ec = 2.77x107 kN/m 3
隧道形状 : 3⼼圆隧道 (R1 = 4.665m, R2 = 3.0m, A1 = 60°, A2 = 60°)
此操作例题中使⽤的隧道的截⾯形状如下所⽰并显⽰了计算的静⽌⼟压⼒。隧道结构⾥加载结构⾃重、竖直⼟压和⽔平⼟压⼒。
GTS 基础例题 9 - 1
浅埋隧道时可以通过静⽌⼟压⼒和主动⼟压⼒来进⾏分析，但是深埋隧道需要按照坍落拱来进⾏分析。
GTS 基础例题 9
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隧道的墙壁使⽤梁单元，然后地基弹簧使⽤只受压弹性连接来建模。GTS 基础例题 9 - 2地基反⼒系数
隧道下端的竖直⽅向地基反⼒系数利⽤道桥设计标准的地基反⼒计算式来计算。11
1140046.66703030k E v o α==××=kgf/cm
3 1058.3B v cm 0E = 28N = 28×50 = 1400 kgf/cm 233
1058.34446.66703030B v k k v v ?
==×= 3.224 kgf/cm 3= 32240 kN/?隧道墙壁 : 梁单元地基弹簧只受压弹性连接
由于是衬砌所以只在下板上加弹簧。⼆维衬砌分析
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⽣成分析数据属性⽣成属性。
1. 主菜单⾥选择模型 > 特性 > 属性…。2. 属性对话框⾥点击右侧的。3. 选择‘直线’。
4. 添加/修改线属性对话框⾥号指定为‘1’。5. 名称处输⼊‘Lining’。
6. 单元类型指定为‘梁’。7. 为⽣成材料点击材料右侧的。
选择梁单元属性时需要指定材料和截⾯信息。
8. 添加/修改结构材料对话框⾥号指定为‘1’。 9. 名称处输⼊‘C27’。 10. 点击颜⾊右侧的指定颜⾊。
11. 材料参数的弹性模量(E)处输⼊‘2.77e7’。
12. 材料参数的泊松⽐(u)处输⼊‘0.18’。 13. 材料参数的重量密度(Y)处输⼊‘25’。 14. 热参数的热膨胀系数(α)处输⼊‘1e-5’。15. 点击。
为了加梁单元或者桁架单元需要定义直线属性。输⼊以相应的混凝⼟强度为基准计算的弹性模量。GTS 基础例题 9
5。
指定适当的颜⾊。GTS 基础例题 9 – 4⼆维衬砌分析6
22.为了计算矩形截⾯的截⾯特性勾选截⾯库。23.确认形状指定为‘⽅形’。24.H处输⼊‘0.4’。25.B处输⼊‘1’。26.点击。
27.添加/修改特性对话框⾥点击。28.添加/修改线属性对话框⾥点击。29.属性对话框⾥确认⽣成‘Lining’ 属性。30.点击。
GTS 基础例题 9 – 5GTS 基础例题 9 – 6
截⾯库⾥有⽅形、圆形以及管形等多样化的截⾯形状并且⾃动计算截⾯特性值。
GTS 基础例题 9
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⼆维⼏何建模
利⽤GTS⾥提供的⽣成隧道截⾯形状的功能建⽴隧道模型。
1. 主菜单⾥选择⼏何 >曲线 > 在⼯作平⾯上建⽴ > ⼆维隧道(线组)…。2. 隧道类型选择‘三⼼圆’。3. R1处输⼊‘4.665’后按回车。
4. A1处输⼊‘60’, R2处输⼊‘3’, A2处输⼊‘60’。5. 取消勾选⽣成线组。6. 点击。
7. 视图⼯具条⾥点击缩放全部。GTS 基础例题 9 – 7
GTS ⾥提供多种隧道截⾯形状的模板。(三⼼圆, 五⼼圆,有各种仰拱的类型)⼆维衬砌分析
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GTS 基础例题 9 – 8
8. 在模型⼯作⽬录树的⼏何 > 曲线⾥确认是否已⽣成4个‘隧道截⾯’曲线。GTS 基础例题 9 – 9
若勾选的话就会像CAD 的多义线⼀样将直线捆绑成⼀个线组。GTS 基础例题 9
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⽣成⼆维⽹格
利⽤⾃动划分线⽹格功能⽣成⼆维梁单元。利⽤⽹格 > ⾃动化分⽹格 > 线…命令在前⾯⽣成⼆维曲线⾥分配梁单元。⾸先⽣成隧道侧壁的梁单元。
1. 主菜单⾥选择⽹格 > ⾃动划分⽹格 > 线…。2.
状态下选择隧道侧⾯德Edge A, C 。
3. 播种⽅法指定为‘分割数量’。4. 分割数量处输⼊‘8’。5. 属性号输⼊‘1’。
6. ⽹格组处删除‘⾃动划分⽹格(线)’后输⼊‘Wall’。7. 点击预览按钮确认指定的⽹格的分割个数。8. 点击。
GTS 基础例题 9 – 10
利⽤和上⾯同样的⽅法⽣成隧道拱顶和底板的梁单元。9.
状态下选择隧道拱顶的Edge B 。
10. 播种⽅法指定为‘分割数量’。 11. 分割数量处输⼊‘20’。12. 属性指定为‘1’。BCAD
不但可以根据单元分割个数也可以根据单元的⼤⼩来进⾏节点播种。如果不想建⽴⼏何形状直接⽣成⽹格时利⽤模型>单元> 建⽴单元… 功能。
由于曲线状态的隧道衬砌现在利⽤直线来建模，所以为了减少误差两单元间的连接⾓度不超过15°。⼆维衬砌分析
10 13.⽹格组处输⼊ ‘Crown’。14.
点击预览按钮确认指定的⽹格的分割个数。15.点击。16.
状态下选择隧道底板的Edge D。17.播种⽅法指定为‘分割数量’。18.分割数量处输⼊‘16’。19.属性指定为‘1’。20.⽹格组处输⼊‘Slab’。
21.点击预览按钮确认指定的⽹格的分割个数。22.点击。
23.为了查看⽣成的单元在模型⼯作⽬录树⾥选择特性 > 特性 > 线点击⿏标右键
调出关联菜单。24.选择显⽰全部。
25.若已查看⽣成的截⾯就重新选择特性 > 特性 > 线点击⿏标右键调出关联菜单选择隐藏全部。
GTS 基础例题 9 – 11
通过截⾯库定义的特性值其形状可以像三维实体单元⼀样查看。GTS 基础例题 9
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对齐单元坐标系
梁单元的内⼒是以单元坐标系(Element Local Axis)为基准输出的。由于单元坐标系与⽣成单元的顺序与⽅向有关，所以为了⽣成统⼀的单元在建模的时候需要考虑单元坐标系。确认⽣成的单元坐标系。1. ⼯作⽬录树⾥在⽹格 > ⽹格组⾥利⽤Shift 键选择全部⽣成的‘Wall’,
‘Crown’, ‘Slab’ 点击⿏标右键调出关联菜单。 2. 选择关联菜单的显⽰ > 单元坐标系。3. ⽤与1同样的⽅法选择‘Wall’, ‘Crown’, ‘Slab’ ⽹格组后调出关联菜单选择显⽰> 显⽰单元号。GTS 基础例题 9 – 12
如上图所⽰隧道的墙上的单元( EL. 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12)的单元坐标系并没有对齐。将修改没有对齐单元坐标系的单元。4. 主菜单⾥选择模型 > 单元 > 修改参数…。5. 选择过滤指定为‘单元 (T)’。
在视图 > 显⽰选项⾥可以调整单元坐标轴的⼤⼩。由于梁单元只能输出局部内⼒所以必须对齐单元坐标轴。⼆维衬砌分析12 6.
状态下利⽤模型窗⼝选择隧道墙下端的 Element 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12。7.勾选单元坐标轴。8.Beta Angle指定为‘180’。9.点击。
10.点击视图⼯具条的等轴侧视图查看对齐的单元坐标系。
GTS 基础例题 9 – 13
11.重复1~3的过程隐藏单元坐标系和单元号。12.在视图⼯具条⾥点击前视图。
为了将单元的z轴沿着同⼀⽅向进⾏建模，所以修改Beta Angle。GTS 基础例题 9
13分析边界条件
利⽤曲⾯弹簧功能定义模型的边界条件。选择赋予地基弹簧的节点后输⼊相应的地基反⼒系数，程序会考虑选中的节点间的距离⾃动按各节点计算弹簧系数。由于隧道的开挖部分的下部⼟体不能抗拉所以地基弹簧使⽤只受压单元(Compression-only)进⾏边界⾮线性分析。本例题是开挖隧道所以隧道的侧壁和拱顶不建⽴地基弹簧，只在底板以地基弹簧输⼊边界条件进⾏分析。1. 主菜单⾥选择模型 > 单元 > 建⽴曲⾯弹簧…。2. 对象⾥类型指定为‘梁’。3. 对象⾥单元宽度处输⼊‘1’。4.点击。5.
状态下参考图GTS 基础例题 9 – 14拖动模型窗⼝选择16个单元。
6. 边界类型⾥选择弹性连接。7. 为定义约束边界组点击边界组右侧的。
8. 在边界组对话框的名称处输⼊‘Ground Spring’后点击。9.点击。
GTS 基础例题 9 – 14
10. ⽅向指定为‘GCS-z(-)’。 11. 地基反⼒系数输⼊‘32240’。对于使⽤只受压或者只受拉这样的⾮线性功能需要使⽤弹性连接。
由于是⼆维模型所以将单元宽度输⼊‘1’。 曲⾯弹簧可以加在直线、平⾯、平⾯的线上，也可以加在实体的⾯上。⼆维衬砌分析
14 12. 弹性连接长度处输⼊‘1’。13. 勾选只受压。
14. 最⼤属性数量指定为‘100’。15. 点击。
GTS 基础例题 9 – 15
指定要计算的弹簧系数的个数。如果输⼊‘1’的话节点间距即使有点不同也是只计算⼀个地基弹簧然后在所有的节点上设置同样的弹簧。默认值指定为100。
由于弹性连接长度对分析结果没有影响所以输⼊任意值。GTS 基础例题 9
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此例题中虽然对称加载⼟压不需要X⽅向的边界条件，但是为了防⽌分析时产⽣数值上的误差定义X⽅向的边界条件。此例题在隧道的拱顶顶点处定义边界条件。16. 主菜单⾥选择模型 > 边界 > ⽀撑…。17.
边界组对话框⾥的名称处输⼊‘Ground Spring’。 18. 对象的类型指定为‘节点’。 19. 点击。
20. 拖动模型窗⼝选择拱顶的节点28。 21. 在DOF ⾥勾选UX 。 22. 点击预览按钮确认是否正常的输⼊了拱顶的边界条件。23. 点击。
GTS 基础例题 9 – 16隧道拱顶⼆维衬砌分析16 荷载
定义模型的荷载⼯况。此模型⾥作⽤的荷载为结构⾃重、⽔平⼟压和竖直⼟压⼒三种。⾸先定义⾃重。
1.主菜单⼒选择模型 > 荷载 > ⾃重…。2.荷载组⼒输⼊‘Self Weight’。3.⾃重系数的Z处输⼊‘-1’。4.点击。
输⼊⽔平⼟压⼒。如图GTS 基础例题 9 – 1所⽰的梯形荷载利⽤连续梁单元荷载来加载。5.主菜单⼒选择模型 > 荷载 > 连续梁单元荷载…。6.荷载组⼒输⼊‘Horizontal Soil P’。7.选择单元指定为‘选中的单元’。
8.状态下参考图GTS 基础例题 9 – 17选择点
1。
9.状态下选择点2。GTS 基础例题 9 – 173A B
即使不单独⽣成荷载组，如果像这样输⼊的话也会⾃动⽣成Self Weight的荷载组，同时⾃重⾃动注册到Self Weight荷载组⾥。
直接加载在⽤户选中的单元上。当单元不位于连接基准点所形成的直线上时选择连续梁单元荷载时使⽤。GTS 基础例题 9
1710. 点击。11.
状态下参考图GTS 基础例题 9 – 17选择A部分的18个单元。12. ⽅向指定为‘整体 X’。13. 数值处确认指定为⽐率。
14. x1, w1, x2, w2⼒分别输⼊‘0’, ’83.325’, ‘1’, ‘30’。 15. 点击预览按钮确认是否正常加载了⽔平⼟压⼒。 16. 点击。GTS 基础例题 9 – 18
⽤同样的⽅法加载隧道右侧壁的⽔平⼟压⼒。 17.状态下参考图GTS 基础例题 9 – 17选择点3。 18.状态下选择点2。19. 点击。
20. 状态下选择B部分的18个单元。21. w1,, w2⾥分别输⼊‘-83.325’, ‘-30’。
22. 点击预览按钮确认是否在右侧壁上正常加载。 23. 点击。选择⽐率时输⼊长度的⽐，选择长度时直接输⼊实际长度。
在第⼀节点处的荷载值为w1, 第⼆节点处的荷载值为w2的话那么其中间的值进⾏线性插值来计算。
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