CN111177843A - 一种盾构隧道结构计算系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种盾构隧道结构计算系统，包括数据库模块，用于提供管片模型、接头模型；管片确定模块，用于从数据库模块中选取指定管片模型；接头确定模块，用于从数据库模块中选取指定接头模型；管片接头拼装组合模块，用于将指定管片模型及指定接头模型进行位置组合并建立局部柱坐标系，以得到隧道模型；荷载确定模块，用于根据隧道的埋深确定荷载，并利用局部柱坐标系将荷载进行分解，以及将分解后的荷载施加于隧道模型；计算求解模块，用于根据施加荷载后的隧道模型生成计算文件并求解；输出模块，用于输出经计算求解模块得到的隧道模型的指定截面的内力。本公开可以从数据库中下载管片及接头模型，避免了人工建模的繁琐，提高了便捷性。

Description

一种盾构隧道结构计算系统

技术领域

本公开涉及盾构隧道结构设计领域，特别涉及一种盾构隧道结构计算系统。

背景技术

目前，盾构隧道结构计算方法依据荷载考虑方式分为地层-结构法和荷载-结构法，其中，荷载-结构法相较于地层-结构法有着计算收敛性好、计算结果偏于安全和易于程序化的特点被隧道结构设计广泛使用。

但是在利用传统的荷载-结构法进行盾构隧道结构计算时，仍存在一些缺陷。例如，传统的荷载-结构法需要人工进行建模，实现起来较为繁琐，并且接触作用面与绑定作用面需要人为定义，容易因人为定义错误导致作用关系混乱。因此，如何提高盾构隧道结构计算的便捷性，成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本公开的目的是提供一种盾构隧道结构计算系统，以提高盾构隧道结构计算的便捷性。

为实现上述目的，本公开实施例提供一种盾构隧道结构计算系统，所述系统包括：

数据库模块，用于提供管片模型、接头模型；

管片确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定管片模型；

接头确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定接头模型；

管片接头拼装组合模块，用于将所述指定管片模型及所述指定接头模型进行位置组合并建立局部柱坐标系，以得到隧道模型；

荷载确定模块，用于根据隧道的埋深确定荷载，并利用所述局部柱坐标系将所述荷载进行分解，以及将分解后的荷载施加于所述隧道模型；

计算求解模块，用于根据施加荷载后的隧道模型生成计算文件，并对所述计算文件进行求解；所述计算文件包括所述隧道模型的网格节点坐标以及节点加载力；

输出模块，用于输出经所述计算求解模块得到的所述隧道模型的指定截面所对应的局部柱坐标系下的内力，和/或输出所述隧道模型的指定输出量的云图。

由以上本公开实施例提供的技术方案可见，利用本公开提供的盾构隧道结构计算系统，可以从数据库模块中获取管片模型与接头模型，无需进行人工建模以及定义接触作用面和绑定作用面，提高了盾构隧道结构计算的便捷性。

附图说明

图1是本公开实施例提供的一种盾构隧道结构计算系统的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的管片确定模块原理图；

图3是本公开实施例提供的接头确定模块原理图；

图4是本公开实施例提供的材料参数输入模块原理图；

图5是本公开实施例提供的管片接头拼装组合模块原理图；

图6是本公开实施例提供的部件作用关系设置模块原理图；

图7是本公开实施例提供的地层弹簧设置模块原理图；

图8是本公开实施例提供的荷载确定模块原理图；

图9是本公开实施例提供的计算求解模块原理图；

图10是本公开实施例提供的输出模块原理图。

具体实施方式

本公开实施例提供一种盾构隧道结构计算系统。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开中的技术方案，下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本公开保护的范围。

本公开实施方式中提供一种盾构隧道结构计算系统，可以包括：

数据库模块，用于提供管片模型、接头模型；

管片确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定管片模型；

接头确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定接头模型；

管片接头拼装组合模块，用于将所述指定管片模型及所述指定接头模型进行位置组合并建立局部柱坐标系，以得到隧道模型；

荷载确定模块，用于根据隧道的埋深确定荷载，并利用所述局部柱坐标系将所述荷载进行分解，以及将分解后的荷载施加于所述隧道模型；

计算求解模块，用于根据施加荷载后的隧道模型生成计算文件，并对所述计算文件进行求解；所述计算文件包括所述隧道模型的网格节点坐标以及节点加载力；

输出模块，用于输出经所述计算求解模块得到的所述隧道模型的指定截面所对应的局部柱坐标系下的内力，和/或输出所述隧道模型的指定输出量的云图。

参见图2所示，管片确定模块可以通过互联网接口在数据库模块中查找并选择指定管片模型，其中，数据库模块中的管片模型包括不存在计算不收敛网格文件、作用面定义文件，且无需用户修改接触作用面定义。当在数据库模块中未找到指定管片模型时，也可通过管片确定模块中的管片建模单元，建立管片模型、划分标准网格以及定义接触作用面。

参见图3所示，接头确定模块可以通过互联网接口在数据库模块中查找并选择指定接头模型，其中，数据库模块中的接头模型包括不存在计算不收敛网格文件、作用面定义文件以及管片外表面节点文件，且无需用户修改绑定作用面定义。当在数据库模块中未找到指定接头模型时，也可通过接头确定模块中的接头建模单元，建立接头模型、划分标准网格以及定义绑定作用面。

参考图5所示，管片接头拼装组合模块可以包括：隧道选型单元，用于设定盾构隧道的直、曲线型以及环数；管片排版单元，用于将所述指定管片模型及所述指定接头模型进行位置组合并建立各环的局部柱坐标系；管环接触面设置单元，用于定义环间接触面。

参考图8所示，荷载确定模块包括：荷载判断单元，用于根据所述数据库模块提供的埋深检测数据确定隧道深、浅埋深界限，或进行二维隧道开挖模拟求解隧道深、浅埋深界限，并根据土压力的计算标准得到土压力，将土压力作为荷载；荷载组合单元，用于确定基本可变荷载、其他可变荷载、偶然荷载输入以及分布模式；荷载施加单元，用于依据所述分布模型，在所述局部柱坐标系下将各种荷载进行分解，并将分解后的荷载施加于所述隧道模型。

参考图9所示，计算求解模块生成计算文件后，可以将计算文件通过互联网上传至数据库模块，利用数据库模块提供的云计算功能进行云计算，还可以通过软件接口单元将计算文件导入至本地工作站使用有限元求解软件进行计算；其中，所述计算文件为包括所述隧道模型的网格节点坐标、集合定义、节点加载力的一种特文本文件。

参考图10所示，输出模块包括：截面设置单元，用于选取所述隧道的指定横、纵截面；结果转化单元，用于输出所述指定横、纵截面所对应的局部柱坐标系下的内力；可视化输出单元，用于输出所述隧道模型的指定输出量的云图和/或视频，其中，指定输出量可以包括应力、应变、轴力、剪力、弯矩、位移、塑性形变及损伤参数；输出模块还可以包括力学性能分析报告单元，用于得到隧道书面计算结果供用户进行分析。

参考图1所示的盾构隧道结构计算系统的结构示意图，盾构隧道结构计算系统还可以包括：计算项目建档模块、材料参数输入模块、部件作用关系设置模块、地层弹簧设置模块以及存储模块。

计算项目建档模块，用于建立项目名称并创建项目文件。

参考图4所示，材料参数输入模块，用于从数据库模块中获取所述指定管片模型及所述指定接头模型的材料属性，或利用材料参数设置单元设置所述指定管片模型及所述指定接头模型的材料属性。

参考图6所示，部件作用关系设置模块包括：管片接触单元，用于设置管片与管片之间的接触作用关系；环间接触单元，用于设置相邻管环之间的接触作用关系；接头管片绑定单元，用于设置管片与接头的绑定连接作用；当数据库模块中预先存储有所需的作用关系时，可以直接从数据库模块中获取，当数据库模块中未预先存储有所需的作用关系时，利用作用关系属性单元设置接触面之间的相互作用关系及绑定面的作用关系。

参考图7所示，地层弹簧设置模块包括：地层属性单元，用于接收地层断面信息与土质参数，并判断隧道所在地层为匀质地层还是交互地层；匀质地层网格节点判断单元，用于在所述隧道所在地层为匀质地层的情况下，区分并定义角点弹簧、边界弹簧以及中间弹簧；匀质地层弹簧设置单元，用于在所述隧道所在地层为匀质地层的情况下，定义弹簧属性与弹簧刚度；交互地层网格节点判断单元，用于在所述隧道所在地层为交互地层的情况下，对不同地层对应弹簧进行区分及定义；交互地层弹簧设置单元，用于在所述隧道所在地层为交互地层的情况下，定义弹簧属性与弹簧刚度。

存储模块，用于存储数据，并实现数据恢复和上传备份的功能。

参考图1所示的盾构隧道结构计算系统的结构示意图，各个模块之间可以按照如下步骤完成盾构隧道结构的计算。

首先，通过计算项目建档模块创建项目文件，命名计算项目，同时可以将项目文件保存至存储模块中，还可以通过互联网同步至数据库模块。

创建项目文件后，通过管片确定模块与接头确定模块，确定指定管片模型与指定接头模型，之后通过材料参数输入模块确定指定管片模型与指定接头模型的材料属性，再通过管片接头拼装组合模块中的隧道选型单元确定隧道选型(拼装方式或者直、曲线段)、管环数量；并根据隧道选型要求进入管片排版单元进行管片实体模型与接头实体模型定位和组合，生成每一环对应的局部柱坐标系；最后根据指定管片模型与指定接头模型组合出来的隧道模型进行环间接触面的定义。

进一步的，利用部件作用关系设置模块中的管片接触单元，依据管片确定模块中的作用面定义生成管片与管片接触关系；并在环间接触单元中，依据管片接头拼装组合模块中的环间接触面定义生成相邻管环之间的接触作用关系；然后，在接头管片绑定单元，依据管片确定模块中的表面定义和接头形式选择模块中的作用面定义生成接头与管片的绑定连接作用；最终，可以通过互联网接口在数据库模块中查找并获取接触面之间的相互作用关系及绑定面作用关系，若数据库模块中没有所需的作用关系，还可以通过作用关系属性单元设定接触面之间的相互作用关系和绑定面作用关系。

之后，利用地层弹簧设置模块，判断隧道所在地层为匀质地层还是交互地层，对于匀质地层，通过匀质地层网格节点判断单元与匀质地层弹簧设置单元，定义弹簧属性与弹簧刚度；对于交互地层，通过交互地层网格节点判断单元与交互地层弹簧设置单元定义弹簧属性与弹簧刚度。

再利用荷载确定模块将分解后的荷载施加在隧道模型上，并利用计算求解模块生成计算文件，最终通过输出模块将计算求解模块得到的计算结果输出。

综上，可以看出，利用本公开提供的盾构隧道结构计算系统至少解决了现有技术中存在的以下缺陷之一：

荷载的确定及计算主要分为永久荷载、基本可变荷载、其他可变荷载、偶然荷载，其中，永久荷载的土压力计算现阶段存在以下缺点：(1)针对不同土层的隧道深、浅界限埋深不统一，导致计算方法的选用不准确；(2)预加应力针对简化模型无法施加；(3)施工荷载种类繁多，主要荷载的确定方法不全面，需要参考大量的工程实践经验。

荷载-结构法计算模型依据对管片、接头和地层抗力的考虑方法分为均质圆环模型、修正惯用法模型、梁-弹簧模型、壳-弹簧模型，其中各种简化计算模型存在以下缺点：(1)均质圆环模型不考虑管片接头的影响，与实际盾构隧道结构形式不符合；(2)梁-弹簧模型和壳-弹簧模型的接头弹簧参数计算复杂，对于新型接头形式需要进行力学试验确定；(3)修正惯用法无法考虑盾构隧道结构的拼装效应，设计参数的选取不够精确；(4)对于接头变形量。

有限元网格的划分关系到结构计算的精度以及模型计算的收敛，现阶段有限元网格的划分受人为因素的影响非常大，模型的计算很大程度上决定于建模人的技术水平。

部件作用关系的设定中关于接头弹簧、地层弹簧、管片间的接触、管片螺栓间的作用关系繁多且复杂，现阶段主要存在以下问题：(1)接头弹簧需要在模型所划分网格上选取盾构隧道接头真实位置成对选点进行设置，操作复杂且费时间；(2)地层弹簧刚度系数需要结合模型划分网格以及选点位置进行计算，尤其隧道穿越交互地层时刚度系数更加繁多，设置不统一且选择弹簧点耗时复杂；(3)管片间的接触需要设置相应接触面，耗时且费力，发生错误难以检查和排出；(4)管片螺栓间的作用关系同样存在操作复杂，发生错误难以检查的缺点。

荷载施加直接关系到结构计算的结果，针对隧道模型具有统一参考坐标的情况下，荷载的分布及施加行对比较容易。但是，当针对隧道曲线段模型情况，各环管片坐标均不统一，施加荷载非常复杂。

计算结果的可视化输出存在结构内力输出需要设置自由体截面，且需要对输出的结果进行认为坐标转化之后才得到真实计算结果，自由体截面设置操作复杂且坐标转换繁琐。

显然，本公开提供的盾构隧道结构计算系统至少具备以下有益效果之一：

盾构隧道管片及接头模型可通过数据库模块下载，避免了人工建模的繁琐和因网格划分的导致的计算不收敛问题，计算结构真实可靠。

接触作用面、绑定作用面均不需要人为定义，避免了因人为操作错误而导致的作用关系混乱，提高了便捷性。

地层弹簧设置模块通过对隧道外表面节点判断功能自动定义和区分角点弹簧、边界弹簧和中间弹簧，节省了人工定义弹簧的时间，提高准确性；

考虑了盾构隧道穿越交互地层的工况，使计算更加完善和准确；

针对不同地质条件，利用荷载判断单元可以界定隧道的深、浅埋深界限，提高了土压力计算的适用性和精准程度；

通过数据库模块的共享可实现云计算，文件共享功能，使得用户多终端多地点操作更加便捷。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本申请的几个实施方式，虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本申请的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本申请。任何本申请所属技术领域的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种盾构隧道结构计算系统，其特征在于，包括：

数据库模块，用于提供管片模型、接头模型；

管片确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定管片模型；

接头确定模块，用于从所述数据库模块中选取指定接头模型；

管片接头拼装组合模块，用于将所述指定管片模型及所述指定接头模型进行位置组合并建立局部柱坐标系，以得到隧道模型；

荷载确定模块，用于根据隧道的埋深确定荷载，并利用所述局部柱坐标系将所述荷载进行分解，以及将分解后的荷载施加于所述隧道模型；

计算求解模块，用于根据施加荷载后的隧道模型生成计算文件，并对所述计算文件进行求解；所述计算文件包括所述隧道模型的网格节点坐标以及节点加载力；

输出模块，用于输出经所述计算求解模块得到的所述隧道模型的指定截面所对应的局部柱坐标系下的内力，和/或输出所述隧道模型的指定输出量的云图。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管片确定模块还包括：

管片建模单元，用于建立管片模型、划分标准网格以及定义接触作用面。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管片确定模块还包括：

接头建模单元，用于建立接头模型、划分标准网格以及定义绑定作用面。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管片接头拼装组合模块包括：

隧道选型单元，用于设定盾构隧道的直、曲线型以及环数；

管片排版单元，用于将所述指定管片模型及所述指定接头模型进行位置组合并建立各环的局部柱坐标系；

管环接触面设置单元，用于定义环间接触面。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荷载确定模块包括：

荷载判断单元，用于根据所述数据库模块提供的埋深检测数据确定隧道深、浅埋深界限，或进行二维隧道开挖模拟求解隧道深、浅埋深界限，并计算得到荷载；

荷载组合单元，用于确定基本可变荷载、其他可变荷载、偶然荷载输入以及分布模式；

荷载施加单元，用于依据所述分布模型，在所述局部柱坐标系下将各种荷载进行分解，并将分解后的荷载施加于所述隧道模型。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出模块包括：

截面设置单元，用于选取所述隧道的指定横、纵截面；

结果转化单元，用于输出所述指定横、纵截面所对应的局部柱坐标系下的内力；

可视化输出单元，用于输出所述隧道模型的指定输出量的云图和/或视频。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

材料参数输入模块，用于设置所述指定管片模型及所述指定接头模型的材料属性。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括部件作用关系设置模块，所述部件作用关系设置模块包括：

管片接触单元，用于设置管片与管片之间的接触作用关系；

环间接触单元，用于设置相邻管环之间的接触作用关系；

接头管片绑定单元，用于设置管片与接头的绑定连接作用；

作用关系属性单元，用于设置接触面之间的相互作用关系及绑定面的作用关系。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括地层弹簧设置模块，所述地层弹簧设置模块包括：

地层属性单元，用于接收地层断面信息与土质参数，并判断隧道所在地层为匀质地层还是交互地层；

匀质地层网格节点判断单元，用于在所述隧道所在地层为匀质地层的情况下，区分并定义角点弹簧、边界弹簧以及中间弹簧；

匀质地层弹簧设置单元，用于在所述隧道所在地层为匀质地层的情况下，定义弹簧属性与弹簧刚度；

交互地层网格节点判断单元，用于在所述隧道所在地层为交互地层的情况下，对不同地层对应弹簧进行区分及定义；

交互地层弹簧设置单元，用于在所述隧道所在地层为交互地层的情况下，定义弹簧属性与弹簧刚度。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述指定输出量包括应力、应变、轴力、剪力、弯矩、位移、塑性形变及损伤参数。

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