【正文】 Apply F/M on Nodes”對話框，如圖324所示。只需在“Global Cartesian Yp”欄后面輸入重力加速度值“”就可以，單擊“OK”按鈕，就完成了重力加速度的施加。圖331 給節(jié)點施加位移約束對話框 在圖331對話框中：在“DOFS to be constrained”欄后面中選取“UX，UY”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant value”，在“Displacement value”欄后面輸入“0”值，然后單擊“OK”按鈕就完成了對彈簧節(jié)點位移的約束。 用來模擬隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的COMBIN14彈簧單元（也叫地層彈簧），對其參數(shù)設(shè)置時，只需要輸入彈性常數(shù)K，阻尼系數(shù)和非線性阻尼系數(shù)不用輸入。 圖330中一共添加了21個彈簧單元，如果有些彈簧單元根據(jù)計算結(jié)果顯示是受拉的，必須去除，再進(jìn)行重新計算。 “DX，DY”是生成彈簧的另一個端點的坐標(biāo)值，它是在法線方向，根據(jù)在在CAD圖形中角度來計算。 隧道頂部范圍（90度范圍）為“脫離區(qū)”，故不需要添加彈簧單元。 彈簧單元長度為1，實際上彈簧長度對計算結(jié)果沒有影響。只是在圖329對話框中改變節(jié)點號和改變“DX，DY，DZ Distance to ground pt”欄中值：節(jié)點2對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點3對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點4對應(yīng)“DX，DY”為“， ”，節(jié)點5對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點6對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點7對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點10對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點13對應(yīng)“，”，節(jié)點12對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點15對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點16對應(yīng)“DX，DY”為“， ”，節(jié)點17對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點14對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點18對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點24對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點19對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點23對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點20對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點22對應(yīng)“DX，DY”為“，”，節(jié)點21對應(yīng)“DX，DY”為“0，1”，再單擊“OK”按鈕就完成了彈簧單元的創(chuàng)建，得到添加彈簧單元的單元網(wǎng)格圖，如圖330所示。 在圖329對話框中，在“Node at spring location”欄后面輸入彈簧節(jié)點位置編號“1”，在“Type of spring”后面的下拉選擇欄中選擇“Translation”，在“Spring constant”欄后面輸入彈簧系數(shù)“300000000”，在“DX，DY，DZ Distance to ground pt”欄后面分別輸入彈簧另一端點的坐標(biāo)值“，0”，因為是平面問題，DZ不用輸入，默認(rèn)是0。顯示這些節(jié)點編號目的是為后面創(chuàng)建彈簧單元準(zhǔn)備，這些節(jié)點是彈簧單元的一個節(jié)點。圖327 隧道支護(hù)單元圖 7）打開節(jié)點編號顯示：Utility Menu PlotCtrls Numbering，彈出“Plot Numbering Controls”對話框，如圖328所示。用相同方法控制線LLLLL7的尺寸，只是線LLLL5在“No of element divisions ”欄后面輸入“2”，線L7在“No of element divisions ”欄后面輸入“8”。在“No of element divisions ”欄后面輸入“4”。用相同方法給線L7賦予特性，其他選項與“LLLLLL6”的線一樣，只是在“Real Constant set number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“2”，單擊“OK”按鈕退出。在“Element Attributes”后面的下拉式選擇欄中選擇“Lines”，按“Set”按鈕，彈出一個“Lines Attributes”線拾取框，在圖形界面上拾取編號為“LLLLLL6”的線，單擊拾取框上的“OK”按鈕，又彈出一個如圖325所示的“Lines Attributes”對話框，在“Material number”后面的下拉式選擇欄中選取“1”，在“Real Constant set number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“1”，在“Element type number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“1 BEAM3”。圖323 隧道襯砌支護(hù)線模型3）保存幾何模型文件；Utility Menu File Save as，彈出一個“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“”，單擊“OK”。在“RAD Radius of the arc”欄后面輸入弧線半徑“”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了弧線1。在對話框欄中輸入關(guān)鍵點“6”，彈出“Arc By End KPs amp。 Rad，彈出如圖320所示的對話框。再依次重復(fù)在“NPT keypoint number”欄后面輸入“7”，在對應(yīng)“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0）、（，0）、（，0）、（，0）、（，0）、（，0，0），最后單擊“OK”按鈕，生成7個關(guān)鍵點，如圖319所示。 然后單擊“OK”按鈕，在彈出的對話框中單擊“Add”按鈕，彈出如圖313所示的選擇單元類型對話框，選中“Type 2 Combin14”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖316所示“Real Constant Set Number 3 for COMBIN14”對話框，在“SPRING CONSTANT ”欄后面輸入“30000000”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖317對話框，最后單擊“Close”按鈕圖316 COMBIN14實常數(shù)后對話框圖317 定義完實常數(shù)后對話框 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：Main Menu Preprocessor Modeling CreateKeypointsIn Active CS，彈出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”對話框，如圖318所示。 圖312 實常數(shù)對話框 圖313 選擇單元類型對話框圖314 定義隧道腰部和頂部BEAM3實常數(shù)1對話框圖315 定義隧道仰拱BEAM3實常數(shù)2對話框然后單擊“OK”按鈕，然后在彈出的對話框中單擊“Add”按鈕，彈出如圖313所示的選擇單元類型對話框，選中“Type 1 BEAM3”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖315所示的對話框，在對話框中分別輸入隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁單元的橫截面積AREA“”、慣性矩IZZ“”、高度HEIGHT“”。`圖311 材料屬性定義結(jié)果 8）定義實常數(shù)：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete，彈出“Real Constants” 實常數(shù)對話框，如圖312所示。再在定義材料本構(gòu)模型對話框 選中“Density”并雙擊，彈出如圖310所示“Density for Material Number 1”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道襯砌混凝土材料的密度“”，再單擊“OK”按鈕。 圖35 單元類型對話框36 定義Beam3單元對話框37 定義Combin14單元對話框7）定義材料屬性：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對話框，如圖38所示。再在左面滾動欄中選取“Combination”，右邊的滾動欄中選擇“Springdamper 14”，如圖37所示。圖34 定義工作標(biāo)題6）定義單元類型：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，彈出“Element Types”單元類型對話框，如圖35所示，單擊“Add”按鈕，彈出“Library of Element Types”單元類型庫對話框，如圖36所示。4）過濾圖形界面：Main Menu Preferences，彈出“Preferences for GUI Filtering”對話框，選中“Structural”來對后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。2）選中【File Management】，在“Working Directory”欄輸入工作目錄“D:\ansys\example301”，在“Job Name”欄輸入文件名“Support”。,分解為水平豎直方向加載。對于豎向和水平的分布荷載，其等效節(jié)點力分別近似的取節(jié)點兩相臨單元水平或垂直投影長度的一般襯砌計算寬度這一面積范圍內(nèi)的分布荷載的總和。表33 物理力學(xué)指標(biāo)名稱容重（）彈性抗力系數(shù)K（MPz/m）彈性模量E（GPa）泊松比內(nèi)摩擦角（。u 隧道仰拱下承受水壓。u 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料。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對其進(jìn)行計算分析。最后按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度和變形驗算，如果不滿足設(shè)計要求，提出相應(yīng)的參數(shù)修改意見，再進(jìn)行新的分析。對于隧道結(jié)構(gòu)受力分析中，很重要一點就是進(jìn)入后處理器后，觀察結(jié)構(gòu)受力變形圖，根據(jù)彈簧單元只能受壓的性質(zhì)，去掉受拉彈簧，再進(jìn)行求解，隨后再觀察結(jié)構(gòu)受力變形圖，看有沒有受拉彈簧，如此反復(fù)，直到結(jié)構(gòu)受力變形圖中無受拉彈簧為止。 求解 接著就可以進(jìn)行求解，ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進(jìn)行計算求解，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中。隧道結(jié)構(gòu)分析中，主要是給彈簧施加自由度約束。 施加約束和荷載在施加邊界條件和荷載時，既可以給實體模型（關(guān)鍵點、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）施加邊界條件和荷載。重復(fù)以上三個步驟，直至處理完所有區(qū)域。Menu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas點擊模型中要選定的區(qū)域。在建立好的模型各個區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項、實常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherChange Mat PropsMaterial Models 建立模型和劃分網(wǎng)格 創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。（3）隨溫度變化或不隨溫度變化。ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種：（1）線性或非線性。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（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）。命令：RGUI：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/DeleteANSYS軟件沒有為系統(tǒng)指定單位，分析時只需按照統(tǒng)一的單位制進(jìn)行定義材料屬性、幾何尺寸、載荷大小等輸入數(shù)據(jù)即可。 對于多單元類型模型，每種單元采用獨(dú)立的實常數(shù)組（即不同的REAL參考號）。 必須按次序輸入實常數(shù)。在隧道結(jié)構(gòu)受力分析中，你可用實常數(shù)來定義襯砌梁單元的橫截面積、慣性矩和高度以及圍巖彈性抗力系數(shù)等。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項（KEYOPTS），這些選項用以修正單元特性。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。用下列方法定義分析標(biāo)題。這樣ANSYS會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進(jìn)行過濾，選擇Structural以便在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。 創(chuàng)建物理環(huán)境在定義隧道結(jié)構(gòu)受力分析問題的物理環(huán)境時，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個隧道結(jié)構(gòu)體的數(shù)學(xué)仿真模型。該理論認(rèn)為圍巖彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比，用公式表示為： (314)式中： ——圍巖表面上任意一點的壓縮變形，單位——m；u ——圍巖在同一點的所產(chǎn)生的彈性抗力，單位——Mpa；u ——圍巖彈性抗力系數(shù)，單位——Mpa/m。（3）地下水壓力在含水地層中，靜水壓力可按照最低水位考慮。對于鐵路隧道，可以根據(jù)〈〈鐵路隧道設(shè)計規(guī)范〉〉進(jìn)行計算。2．計算荷載目前隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用主動荷載加被動荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動荷載和被動荷載，可見表22。切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而改善結(jié)構(gòu)的受力情況。（3）實際荷載模型這種模型采用量測儀器實地量測到的作用在襯砌上的荷載值代替主動荷載模型中的主動荷載。這種模型適用于各種類型的圍巖，只是所產(chǎn)生的彈性抗力不同而已。因為在非均勻分布的主動荷載作用下，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，就會對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力來約束它的變形，這種反作用力稱為彈性抗力。此模型主要適用于軟弱圍巖沒有能力去約束襯砌變形情況，如采用明挖法施工的城市地鐵工程及明洞工程。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的。ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟：1．荷載—結(jié)構(gòu)模型的建立2．創(chuàng)建物理環(huán)境3．建立模型和劃分網(wǎng)格4．施加約束和荷載5．求解6．后處理（對結(jié)果進(jìn)行分析） 荷載—結(jié)構(gòu)模型的建立 本步驟不在ANSYS中進(jìn)行，但該步驟是進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)