【正文】 對(duì)于豎向和水平的分布荷載，其等效節(jié)點(diǎn)力分別近似的取節(jié)點(diǎn)兩相臨單元水平或垂直投影長(zhǎng)度的一般襯砌計(jì)算寬度這一面積范圍內(nèi)的分布荷載的總和。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，采用了荷 載 — 結(jié)構(gòu)模型 ，利用 ANSYS 對(duì)其 進(jìn)行計(jì)算分析。 隧道結(jié)構(gòu)分析中，主要是給彈簧施加自由度約束。 在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，需要建立模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧湍M隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的彈簧單元。 結(jié)構(gòu)分析只有時(shí)間單位、長(zhǎng)度單位和質(zhì)量單位三個(gè)基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個(gè)單位組成的表達(dá)方式。例如， 隧道襯砌 用 beam3 梁 單元 來(lái)模擬 ， 用 COMBIN14 彈簧單元模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用性，這兩個(gè)單元組合起來(lái)就可以模擬隧道結(jié)構(gòu) 。 ? 對(duì)于列車荷載、地震力等其它荷 載，一般情況可以忽略不計(jì)算。但要注意的是，實(shí)際量測(cè)的 荷載 值，除與圍巖特性有關(guān)外，還取決與支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及支護(hù)結(jié)構(gòu)背后回填的質(zhì)量。 （ 2）主動(dòng) 荷載 加被動(dòng) 荷載 （彈性抗力）模型 此模型認(rèn)為圍巖不僅 對(duì) 支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng) 荷載 ，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，還會(huì) 對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束反力。由于隧道結(jié)構(gòu)是在地層中修建的，其工程特性、設(shè)計(jì)原則及方法與地面結(jié)構(gòu)是不同的， 隧道結(jié)構(gòu)的變形受到周圍巖土體本身的約束，從某種意義上講，圍巖也是地下結(jié)構(gòu)的 荷載 ，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)本身的一部分， 因此不能完全采用地面結(jié)構(gòu)受力分析方法來(lái)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。進(jìn)行隧道支護(hù)時(shí)，先將相應(yīng)支護(hù)部分在開挖時(shí)被殺死的單元激活，單元被激活后，具有零應(yīng)變狀態(tài)，并且把這些單元的材料屬性改為支護(hù)材料的屬性，這樣就實(shí)現(xiàn)了隧道支護(hù)的模擬。 這種方法簡(jiǎn)單方便，只需給出巖體的各項(xiàng)參數(shù)即可計(jì)算。在巖石、土壤的有限元分析中，采用 DP 材料可以得到較精確的結(jié)果。但這個(gè)過(guò)程要特別小心。 （ 3） 在進(jìn)行非線性分析時(shí)，注意不要因殺死或激活單元引起奇異性（如結(jié)構(gòu)分析中的尖角）或剛度突變 ，這樣會(huì)使收斂困難。 2. 施加 荷載 并求解 單元生死的控制 1. 利用 ANSYS 結(jié)果控制單元生死 在許多時(shí)候，用戶不能清楚知道要?dú)⑺篮图せ顔卧拇_切位置。然而，初始應(yīng)變以實(shí)參數(shù)形式輸入（如 LINK1 單元）卻不受單元生死操作的影響。同樣，死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱和其他類似參數(shù)也設(shè)置為 0。 需要注意的是， ANSYS 單元的生死功能只適用于 ANSYS/Multiphysics， ANSYS/Mechanical和 ANSYS/Structure 產(chǎn)品。如計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)，對(duì)主要區(qū)域（隧道周圍區(qū)域）采用 有限元法，對(duì)于隧道外部區(qū)域可按均質(zhì)、線彈性模擬 ，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果精度一般較高。目前用于隧道開挖、支護(hù)過(guò)程的數(shù)值方法有：有限元法、邊界元法、有限 元 — 邊界元耦合法 。 本章 首先 介紹 了隧道工程的相關(guān)概念；然后介紹了 ANSYS 的生死單元及 DP 材料模型；最后用 2 個(gè)實(shí)例分別詳細(xì)描述了用 ANYS 實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 隧道施工模擬的全過(guò)程。 其中有限元法是一種發(fā)展最快的數(shù)值方法，已經(jīng)成為分析隧道及地下工程圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的有力工具。 隧道 荷載 參照相關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道設(shè)計(jì)主要考慮 荷載 包括永久 荷載 、可變 荷載 和偶然 荷載 ，詳見表 32。此外，并非所有 ANSYS 單元具有生死功能，具有此生死功能的單元見表 31。死單元的質(zhì)量和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。此外，除非打開大變形選項(xiàng)（ NLGEOM， ON），一些單元類型將恢復(fù)它們以前的幾何特性（大變形效果有時(shí)了用來(lái)得到合理的結(jié)果）。如，在熱分析中要?dú)⑺廊廴诘膯卧?即在模型中移去的熔化材料），事先不知道這些單元的位置，這時(shí)，用戶就可以根據(jù)ANSYS 計(jì)算出的溫度來(lái)確定這些單元。 （ 4）如果模型是完全線性的，也就是說(shuō)除了生死單元，模型不存在接觸單元或其它非線性單元且材料是線性的，則 ANSYS 就采用線性分析 ，因此不會(huì)采用 ANSYS 默認(rèn)（ SOLCONTROL，ON）非線性求解器。軟件保護(hù)和限制使得殺死的單元在求解器中改變材料特性時(shí)將不生效（單元的集中力 、應(yīng)變、質(zhì)量和比熱等都 不會(huì)自動(dòng)變?yōu)?0）。 在 ANSYS 程序中， 就 采用 DruckPrager 屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則 是 對(duì) MohrCoulomb 準(zhǔn)則給予近似，以此來(lái)修正 Vo nMise 屈服準(zhǔn)則，即在 VonMises 表達(dá)式中包含一個(gè)附加項(xiàng)，該附加項(xiàng)是考慮到靜水壓力可以引起巖土屈服而加入的。缺點(diǎn)是計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)有偏差，并且?guī)r體在自重作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析的后續(xù)施工時(shí)，得到的位移結(jié)果是累加了初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中初 始位移早就結(jié)束，對(duì)隧道的開挖沒(méi)有影響，因此在后面的每個(gè)施工階段分析位移場(chǎng)時(shí)，必須減去初始位移場(chǎng)。 此外，單元的生死狀態(tài)還可以根據(jù) ANSYS 的計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力或應(yīng)變）來(lái)決定。當(dāng)前，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系一般按照 荷載 — 結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行演算 ，按照此模型設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。 因?yàn)樵诜蔷鶆蚍植嫉闹鲃?dòng) 荷載 作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力來(lái)約束它的變形，這種反作用力稱為彈性抗力。 2． 計(jì)算 荷載 目前隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載，可見表 22。 創(chuàng)建物理環(huán)境 在定義 隧道結(jié)構(gòu)受力分析 問(wèn)題的物理環(huán)境時(shí)，進(jìn)入 ANSYS 前處理器，建立這個(gè) 隧道結(jié)構(gòu)體的數(shù)學(xué)仿真模型。 大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項(xiàng)（ KEYOPTS），這些選項(xiàng)用以修正單元特性。如標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位制下，時(shí)間是秒（ s），長(zhǎng)度是米（ m），質(zhì)量是千克（ kg），則導(dǎo)出力的單位是 kg? m/s2（相當(dāng)于牛頓 N），材料的彈性模量單位是 kg/m? s2（相當(dāng)于帕 Pa）。 在建立好的模型各個(gè)區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項(xiàng)、實(shí)常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。 命令： D 施加荷載包括重力以及隧道結(jié)構(gòu)所受到的力。 主要參數(shù)如下： ? 隧道腰部和頂部襯砌厚度是 65cm，隧道仰拱襯砌厚度為 85cm。自重荷載通過(guò) ANSYS 程序直接添加密度施加。） 凝聚力 C（ MPa） Ⅳ 級(jí)圍巖 22 300 29 C30 鋼筋 混凝土 25 30 54 表 34 荷載計(jì)算表 荷載 種類 圍巖 壓力 結(jié)構(gòu)自重 水壓 N/m3 垂直勻布力 N/m3 水平勻布力 N/m3 值 80225 16045 通過(guò) ANSYS 添加 202000 根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》， 可計(jì)算出深埋