【正文】 構(gòu)受力分析前提。當(dāng)前，對隧道支護(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)計的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。ANSYS隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計受力實例分析 ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實例分析 ANSTS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟 為了保證隧道施工和運(yùn)行時間的安全性，必須對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于隧道結(jié)構(gòu)是在地層中修建的，其工程特性、設(shè)計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)受力分析方法來對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。再借助有限元軟件（如ANSYS）實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的受力分析。只要在施工過程中不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖保持緊密接觸，有效地阻止周圍巖體變形而產(chǎn)生松動壓力，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)就應(yīng)該按荷載—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行驗算。 本步驟主要包含2項內(nèi)容：u 選擇荷載—結(jié)構(gòu)模型u 計算荷載1．選擇荷載—結(jié)構(gòu)模型荷載—結(jié)構(gòu)模型雖然都是以承受巖體松動、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動壓力為主要特征，但對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理上，大致有三種做法：（1）主動荷載模型此模型不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下可以自由變形，其計算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。（2）主動荷載加被動荷載（彈性抗力）模型此模型認(rèn)為圍巖不僅對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動荷載，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，還會對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束反力。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的另一部分則背離圍巖向著隧道內(nèi)變形，不會引起彈性抗力，形成所謂“脫離區(qū)”。該模式廣泛地應(yīng)用于我國鐵路隧道，基于這種模式修建了好幾千公里的鐵路隧道，并且在實際使用中，它基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實際受力狀況。實地量測的荷載值包含圍巖的主動壓力和彈性抗力，是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的綜合反映。但要注意的是，實際量測的荷載值，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。進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析時，一般要進(jìn)行計算以下幾種隧道荷載：（1）圍巖壓力圍巖壓力是隧道最主要的荷載，主要根據(jù)相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算。 （2）支護(hù)結(jié)構(gòu)自重 支護(hù)結(jié)構(gòu)自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重計算確定。（4）被動荷載被動荷載即圍巖的彈性抗力，其大小常用以溫克列爾假定為基礎(chǔ)的局部變形理論來確定。u 對于列車荷載、地震力等其它荷載，一般情況可以忽略不計算。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境： 設(shè)置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運(yùn)行ANSYS，當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑：Main MenuPreferences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個如圖32所示的對話框出現(xiàn)后，選擇Structural。 定義分析標(biāo)題（／TITLE）在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“Tunnel Support Structural Analysis”，以便能夠從標(biāo)題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。命令：／TITLEGUI：Utility MenuFileChange Title 說明單元類型及其選項（KEYOPT選項）與ANSYS的其他分析一樣，也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。例如，隧道襯砌用beam3梁單元來模擬，用COMBIN14彈簧單元模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用性，這兩個單元組合起來就可以模擬隧道結(jié)構(gòu)。例如，梁單元beam3有如下KEYOPTS：KEYOPT(6) 力和力矩輸出設(shè)置KEYOPT(9) 設(shè)置輸出節(jié)點I與J之間點結(jié)果KEYOPT(10) 設(shè)置SFNEAM命令施加線性變化的表面載荷COMBIN14彈簧單元有如下KEYOPTS：KEYOPT(1) 設(shè)置解類型KEYOPT(2) 設(shè)置1D自由度KEYOPT(3) 設(shè)置2D或3D自由度設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete圖 32 GUI圖形界面過濾設(shè)置實常數(shù)和定義單位單元實常數(shù)和單元類型密切相關(guān)，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相應(yīng)GUI菜單路徑來說明。當(dāng)定義實常數(shù)時，要遵守如下二個規(guī)則：216。216。但是，一個單元類型也可注明幾個實常數(shù)組。結(jié)構(gòu)分析只有時間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個單位組成的表達(dá)方式。命令：/UNITS定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定義各種材料的特性，如結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)、熱性能參數(shù)、流體性能參數(shù)和電磁性能參數(shù)等。（2）各向同性、正交異性或非彈性。隧道結(jié)構(gòu)受力分析中需要定義隧道混凝土襯砌支護(hù)的材料屬性：容重、彈性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時，需要建立模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)的梁單元和模擬隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的彈簧單元。通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：選擇Main在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標(biāo)系號。通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL（選擇模型區(qū)域）MAT （說明材料號）REAL（說明實常數(shù)組號）TYPE（指定單元類型號）ESYS（說明單元坐標(biāo)系號） 在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)分析中，只需要給隧道襯砌結(jié)構(gòu)指定材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標(biāo)系號就可以。在求解時，ANSYS程序會自動將加到實體模型上的邊界條件和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。命令：D施加荷載包括重力以及隧道結(jié)構(gòu)所受到的力。命令：SOLVEGUI：Main MenuSolutionSolve Current LS 后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結(jié)果。這時就得到隧道結(jié)構(gòu)受力分析的正確結(jié)果，進(jìn)去后處理器，繪出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形圖、彎矩圖、軸力圖和剪力圖，列出各單元的內(nèi)力和位移值，以及輸出結(jié)構(gòu)的變形圖和內(nèi)力圖。 命令：／POST1GUI： Main Menu General Postproc 實例描述選取新建鐵路宜昌（宜）－萬州（萬）鐵路線上的別巖槽隧道某斷面，該斷面設(shè)計單位采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖33所示。主要參數(shù)如下：u 隧道腰部和頂部襯砌厚度是65cm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm。u 隧道圍巖是Ⅳ級,，深埋隧道。圖 33 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖 隧道圍巖級別是Ⅳ級，其物理力學(xué)指標(biāo)及襯砌材料C30鋼筋混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)見表33所示。）凝聚力C（MPa）Ⅳ級圍巖2230029C30鋼筋混凝土253054表34 荷載計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8022516045通過ANSYS添加200000根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，可計算出深埋隧道圍巖的垂直勻布力和水平勻布力。自重荷載通過ANSYS程序直接添加密度施加。 GUI操作方法 創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到“ Product Launcher”對話框。3）單擊“RUN”按鈕。5）定義工作標(biāo)題：Utility Menu File Change Title，在彈出的對話框中輸入“Tunnel Support Structural Analysis”，單擊“OK”，如圖34所示。在該對話框左面滾動欄中選擇“Beam”，在右邊的滾動欄中選擇“2Delastic 3”，單擊“Apply”，定義了“Beam3”單元。然后單擊“OK”按鈕，這就定義了“Combin14”單元，最后單擊圖35單元類型對話框中的“Close”按鈕。在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural Linear ElasticIsotropic”后，又彈出如圖39所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“3E10”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“”，單擊“OK”。圖 38 定義材料本構(gòu)模型對話框 圖 39 線彈性材料模型對話框 圖 310材料密度輸入對話框 最后單擊“Material Exit”結(jié)束，得到結(jié)果如圖311所示。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314所示“Real Constant for BEAM3”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“”。這是因為隧道襯砌支護(hù)仰拱和腰部及頂部的厚度不同，所以要建立2個BEAM2實常數(shù)。在“NPT keypoint number”欄后面輸入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點1。圖318 在當(dāng)前坐標(biāo)系創(chuàng)建關(guān)鍵點對話框圖319 隧道支護(hù)關(guān)鍵點 2）創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)線模型：Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsBy End KPs amp。在對話框欄中輸入關(guān)鍵點“1，2”，單擊“Apply”，彈出如圖321所示對話框。 Rad ”對話框，如圖322所示。 圖320 定義弧線兩端點對話框 圖321 定義弧線曲率關(guān)鍵點對話框圖322 畫弧線對話框 重復(fù)以上操作步驟，分別把圖322對話框欄中空欄依次輸入“，2，3，6”、“，3，4，6”、“，4，5，2”、“，5，6，2”、 “，6，7，2”、“6，7，1，4”，最后單擊“OK”按鈕，生成隧道襯砌支護(hù)線模型，如圖323所示。4）給線賦予特性：Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，彈出“MeshTool”對話框，如圖324所示。單擊“Apply”再次彈出線拾取框。 圖324 網(wǎng)格劃分工具欄 圖325 賦予線特性對話框5）控制線尺寸：在“MeshTool”對話框中的“Size controls”下面的選擇欄中的“Lines”右邊單擊“Set”，在彈出對話框中拾取線L1和L6，單擊拾取框上的“OK”按鈕，彈出“Element Sizes on All Selected Lines”對話框，如圖326所示。再單擊“Apply”按鈕。圖326 線單元尺寸劃分對話框 6）劃分網(wǎng)格：在圖324 網(wǎng)格劃分工具欄中單擊“Mesh”按鈕，彈出一個對話框，單擊“Pick ALL”，生成24個梁單元，如圖327所示。選中“Node Numbers” 選項，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖328 顯示節(jié)點編號對話框 8）創(chuàng)建彈簧單元：Main MenuPreprocessorModelingCreatePiping ModelsDefine PipesSpring Support，彈出一個選擇節(jié)點對話框，選擇節(jié)點1后，單擊“OK”按鈕，又彈出一個“Define Support Spring”對話框，如圖329所示。 單擊“Apply”按鈕（這時就生成了節(jié)點1的彈簧單元，編號為25），又彈出一個選擇節(jié)點的對話框，和生成節(jié)點1位置彈簧方法一樣生成其它節(jié)點的彈簧單元。圖329 定義彈簧單元對話框 注意：216。216。216。216。216。圖330 添加彈簧單元后的單元網(wǎng)格圖 施加約束和荷載 1）給彈簧單元施加約束：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementon Nodes，彈出在節(jié)點上施加位移約束對話框，用鼠標(biāo)選取彈簧單元最外層節(jié)點共21個節(jié)點，單擊“OK”按鈕，彈出“Apply U,ROT on Nodes”對話框，如圖331所示。 2）施加重力加速度：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravity，彈出“Apply(Gravitational)Acceleration”對話框，如圖323所示。圖332 施加重力加速度對話框注意：，其重力加速度方向顯示向上，但ANSYS默認(rèn)模型施加重力時。在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FY”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖垂直勻布力“80225”。再單擊“Apply”按鈕，又彈出一個節(jié)點位置施加荷載對話框，用鼠標(biāo)選擇隧道襯砌支護(hù)線上的2224共12個節(jié)點，又彈出如圖324所示的對話框，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FX”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖水平勻布力“16045”。單擊“OK“按鈕，就完成了對隧道襯砌支護(hù)施加圍巖壓力。 4）對隧道仰拱施加水壓：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural Force/Moment on Nodes，在彈出節(jié)點位置施加荷載對話框中，用鼠標(biāo)選擇隧道仰拱節(jié)點18，彈出如圖324所示的對話框，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FX