【正文】 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及可靠性分析操作流程手冊(cè)目錄第一章 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析 3 Ansys菜單操作 3 Ansys命令流操作及講解 23第二章 隧道結(jié)構(gòu)安全度檢算 28 28 30第三章 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨機(jī)性分析 31 31 55第四章 隧道結(jié)構(gòu)可靠性分析 70 鋼筋混凝土功能函數(shù)如下： 70 71 大偏心下計(jì)算可靠度指標(biāo)β 73 76 素混凝土的功能函數(shù) 79 破壞類型判斷 81 抗壓破壞 8163 / 65第一章 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析 Ansys菜單操作本例以標(biāo)準(zhǔn)圖1202普貨200雙線Ⅳ級(jí)圍巖無砟隧道為例。本隧道為二襯為c35混凝土，混凝土彈性模量為32E10，Ⅳ級(jí)圍巖彈性反力系數(shù)為350e6，計(jì)算按照深埋求得豎向及水平荷載。第一步：定義工作文件名和工作標(biāo)題⑴ 進(jìn)入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，選擇菜單Utility Menu：File→Change Jobname，出現(xiàn)Change Jobname對(duì)話框。在【/FILNAM】Enter new Jobname輸入框中輸入工作名稱Support，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。⑵ 選擇菜單Utility Menu：File→Change Title命令，出現(xiàn)Change Title對(duì)話框，在輸入欄中輸入Tunnel Support Structural Analysis，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。第二步：定義單元類型圖11 單元類型庫(kù)對(duì)話框選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Types對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對(duì)話框。在左側(cè)滾動(dòng)欄中選擇Structural Beam，在右側(cè)滾動(dòng)欄中選擇2D elestic 3，單擊Apply按鈕，定義Beam3單元，如圖11所示。最后單擊Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框。第三步：定義單元實(shí)常數(shù)圖12定義隧道腰部和頂部BEAM3實(shí)常數(shù)1對(duì)話框 選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Real Contants對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Element Type for Real Contants對(duì)話框，單擊OK按鈕，選擇TYPE 1 BEAM3，單擊OK按鈕，最后在彈出的Real Constant for BEAM3對(duì)話框中分別輸入隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁?jiǎn)卧臋M截面積AREA：、慣性矩IZZ：、高度HEIGHT：，如圖12所示。圖13定義隧道腰部和頂部BEAM3實(shí)常數(shù)2對(duì)話框⑵ 單擊OK按鈕，在打開的對(duì)話框中單擊Add按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇TYPE 1 BEAM3，單擊OK按鈕，在打開的對(duì)話框中分別輸入隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁?jiǎn)卧臋M截面積AREA：、慣性矩IZZ：、高度HEIGHT：，如圖13所示。這是因?yàn)樗淼酪r砌支護(hù)仰拱和腰部以及頂部的厚度不同，所以要建立多個(gè)BEAM3實(shí)常數(shù)。按相同步驟添加其他幾個(gè)。第四步：定義材料屬性⑴ 選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models命令，出現(xiàn)Define Material Behavior對(duì)話框。⑵ 在Material Models Available一欄中依次單擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)Linear Isotropic Properties for Material Number1對(duì)話框，，如圖14所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖14線彈性材料模型對(duì)話框⑶ 單擊Structural、Density選項(xiàng)，在彈出的Density for Material Numbere 1對(duì)話框中輸入隧道襯砌混凝土材料的密度2500，如圖15所示。單擊OK按鈕，選擇Material→Exit，退出材料定義對(duì)話框。第五步：建立模型和劃分網(wǎng)格(1)創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS命令，出現(xiàn)Create Keypoints in Active Coordinate System對(duì)話框，輸入關(guān)鍵點(diǎn)1。最后單擊OK按鈕，生成82個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。圖15材料密度輸入對(duì)話框(2)創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)線模型圖16隧道二襯中心線選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→straight line命令，然后依次選中1，2兩點(diǎn)，再依次選中2，3兩點(diǎn)，直到82，1兩點(diǎn)，單擊OK按鈕。得出二襯的中心線如圖16所示。(3)保存幾何模型文件選擇菜單Utility Menu：File→Save as命令，打開Save Database對(duì)話框，在Save Database ，單擊OK按鈕。(4)為線賦予特性圖17選擇線條圖18賦予屬性選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Meshing→Mesh Tool命令，打開Mesh Tool對(duì)話框，在Element Attribute后面的下拉菜單選擇Lines，單擊Set按鈕，打開Line Attribute線拾取框，選中Min，Max，Inc，在輸入欄中輸入17，66，如圖17，單擊OK按鈕，打開Line Attributes對(duì)話框，在Material number后面的下拉菜單中選擇1，在Real Constant set number后面的下拉菜單中選擇1，在Element type number后面的下拉菜單中選擇1 BEAM3，如圖18所示。單擊Apply按鈕再次打開線拾取框。同樣的方法為1，11賦予屬性，其他同前，只是在Real Constant set number后面的下拉菜單中選擇7，單擊OK按鈕退出。然后在line attribute 里選擇list of items，在輸入欄中輸入16，67，如圖19，單擊OK按鈕，打開Line Attributes對(duì)話框，在Material number后面的下拉菜單中選擇1，在Real Constant set number后面的下拉菜單中選擇2，在Element type number后面的下拉菜單中選擇1 BEAM3，單擊apply繼續(xù)為15，68；14，69；13，70；12，71；Real Constant set number后面的下拉菜單中依次選擇3，4，5，6，單擊OK退出。圖19選擇線條(5) 控制線尺寸圖110線單元尺寸劃分對(duì)話框在Mesh Tool對(duì)話框中Size Controls下面選擇欄中的Lines右邊單擊Set按鈕，在打開的對(duì)話框中選擇pick All。單擊拾取框上的OK按鈕，打開Element Sizes on picked Lines對(duì)話框，如圖110所示。 element divisions欄后面輸入1，再單擊OK按鈕。⑹ 劃分網(wǎng)格圖111二襯中心線節(jié)點(diǎn)圖在網(wǎng)格劃分工具欄中單擊Mesh按鈕，打開一個(gè)對(duì)話框，單擊Pick All按鈕，生成82個(gè)梁?jiǎn)卧?，如圖111所示。⑺ 創(chuàng)建彈簧單元圖112定義彈簧單元對(duì)話框加豎向彈簧，執(zhí)行main menupreprocessorModelingCreatePiping ModelsSpring Support命令，彈出選取對(duì)話框，選中將為之施加彈簧支撐的節(jié)點(diǎn)1后單擊Apply按鈕，彈出Define Spring Support對(duì)話框，如圖112所示。NLOC項(xiàng)已自動(dòng)給出，再依次輸入彈簧類型TYPE為translational（平移），由公式K=kbh，厚度b為1，彈性系數(shù)為K*abs（nx（1）nx（82）），*abs（）=，單擊apply，再依次為最大跨度122點(diǎn)，6288點(diǎn)依次加豎向彈簧。加水平彈簧時(shí)偏移量為X方向偏移，右側(cè)為0. 5。如圖113所示，*abs（ny（i+1）ny（i1））/2。水平彈簧加到上方呈90176。~120176。，這里左側(cè)加至39點(diǎn)，右側(cè)加至45點(diǎn)，再根據(jù)判斷去掉多余彈簧，由于此處數(shù)據(jù)量較大，建議用命令流添加。圖113彈性系數(shù)原理添加彈簧后的圖像如圖114。!!!!!!圖114添加彈簧單元后的單元網(wǎng)格圖第六步：施加約束和載荷1 給彈簧單元施加約束該步驟可以省略不考慮，應(yīng)對(duì)另外一種情況加上這一條選擇菜單Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes命令，打開在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，點(diǎn)選單元最外層節(jié)點(diǎn)共所有節(jié)點(diǎn)，單擊OK按鈕，打開Apply U，ROT on Nodes對(duì)話框，如圖115所示。在DOFs tu be constrained欄后面選取UX，UY，接著在Apply as欄后面的下拉菜單中選取Constant value選項(xiàng)，并在Displacement value欄后面輸入0值，然后單擊OK按鈕，完成對(duì)彈簧節(jié)點(diǎn)位移的約束。圖115橫向豎向約束另外給最低點(diǎn)1點(diǎn)施加水平方向約束。1 施加重力加速度圖116施加重力加速度對(duì)話框選擇菜單Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令，打開Apply（Gravitational）Acceleration對(duì)話框，如圖116所示。在Global Cartesian ，單擊OK按鈕，完成重力加速度的施加。2 對(duì)隧道襯砌支護(hù)施加圍巖壓力首先選擇菜單Main Menu：Solution→Define Loads→setting→Replace vs add→forces彈出replace/Add Setting for Forces對(duì)話框，在DOFSEL中選擇FX,FY，F(xiàn)CUM欄中選擇Add to existing，使施加的荷載可以疊加而不是替換。選擇菜單Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes命令，打開節(jié)點(diǎn)位置施加載荷對(duì)話框，以41點(diǎn)為例，選擇41點(diǎn)，打開打開Apply F/M on Nodes對(duì)話框。在Direction of force/mom欄后面的下拉菜單中選取FY，在Force/moment 。再選擇41點(diǎn)。隧道本身是受豎向均布?jí)毫?，如圖117，在此將豎向均布荷載q置換為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)荷載，節(jié)點(diǎn)荷載等于均布荷載的集度q乘上節(jié)點(diǎn)相鄰梁?jiǎn)卧酵队暗?/2，乘上結(jié)構(gòu)再的計(jì)算寬度b，這里，b=1。例如，第1點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)荷載p為，第2節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)荷載p2為：圖117施加荷載圖解同時(shí)點(diǎn)2所受的力為1桿的j端里和2桿的i端力，兩者相疊加。即加兩次荷載同樣方法依次給其余點(diǎn)加載。加載后如圖118所示此處可用命令流簡(jiǎn)便操作。圖118加載后的模型第七步：求解計(jì)算圖119求解選擇菜單Main Menu：Solution→Solve→Current LS命令，打開一個(gè)求解選項(xiàng)信息和當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框，如圖119所示，檢查信息無誤后，單擊OK按鈕，開始求解計(jì)算，求解結(jié)束后，彈出Solution is done提示欄，單擊Close按鈕關(guān)閉提示欄。第八步：后處理（對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析）⑴ 計(jì)算分析修改模型1）查看隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖選擇菜單Main Menu：General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，彈出Plot Deformed Shape對(duì)話框，如圖120所示，選中Def+underformed，單擊OK按鈕，將出現(xiàn)隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖，如圖121所示。圖121初次分析計(jì)算隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖圖120查看變形圖對(duì)話框 由上圖可知有些彈簧為受拉彈簧，這意味著該處土體受拉，這顯然不符合常理，需要去除彈簧并重新計(jì)算，直到結(jié)構(gòu)變形圖中沒有受拉彈簧為止。確定受拉彈簧范圍：執(zhí)行Main Menu→General Postproc→Element Table→Define Table命令，定義結(jié)果顯示列表，在Lab欄中輸入列表名NI，在下面對(duì)話框選擇By sequence num，右下側(cè)輸入SMISC,1，單擊OK。再執(zhí)行Main Menu→General Postproc→Element Table→List Elem table，在彈出的對(duì)話框里選擇NI，則彈出如圖122所示的顯示各單元軸力的對(duì)話框。圖122 軸力從顯示列表可以判斷119，120，123，124號(hào)彈簧受拉（正值表示受拉，負(fù)值表示受壓）。2）刪除受拉彈簧單元選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Modeling→Delete→Elements命令，打開一個(gè)刪除單元選取對(duì)話框，在輸入欄中輸入119，120，123，124，單擊OK按鈕。選擇菜單Main Menu：Preprocessor→Modeling→Delete→Nodes命令，打開一個(gè)刪除節(jié)點(diǎn)選取對(duì)話框，在輸入欄中輸入119，120，123，124，單擊OK按鈕。再重新計(jì)算。3）第二次求解選擇菜單Main Menu：Solution→Solve→Current LS命令，打開一個(gè)求解選項(xiàng)信息和當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框，接受默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕，開始求解計(jì)算，直到出現(xiàn)一個(gè)Solution is done提示欄，單擊Close按鈕關(guān)閉提示欄。4）查看第二次分析計(jì)算結(jié)構(gòu)變形圖