【正文】 ANSYS）實(shí)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(yàn)算。 本步驟主要包含 2 項(xiàng)內(nèi)容： ? 選擇 荷載 — 結(jié)構(gòu)模型 ? 計(jì)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(jì)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(shí)際使用中 ，它基本 能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí) 際受力狀況。實(shí)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(shí)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(shí)，一般要進(jìn)行計(jì)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(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。 第 4 章 ANSYS 隧道工程中的應(yīng)用實(shí)例分析 （ 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(jì)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。 ? 對于列車荷載、地震力等其它荷 載，一般情況可以忽略不計(jì)算。按照以下 幾 個(gè)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(gè)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(gè)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： ／ TITLE GUI： Utility MenuFileChange Title 說明單元類型及其選項(xiàng)（ KEYOPT 選項(xiàng)） 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(gè)單元組合起來就可以模擬隧道結(jié)構(gòu) 。例如， 梁 單元第 4 章 ANSYS 在隧道工程中的應(yīng)用分析 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(diǎn) I 與 J 之間點(diǎn) 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(xiàng)的方式如下： 命令： ET KEYOPT GUI： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 圖 32 GUI 圖形界面 過濾 設(shè)置實(shí)常數(shù) 和定義單位 單元實(shí)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(shí)常數(shù)時(shí)，要遵守如下二個(gè)規(guī)則： ? 必須按次序輸入實(shí)常數(shù)。但是，一個(gè)單元類型也可注明幾個(gè)實(shí)常數(shù)組。 結(jié)構(gòu)分析只有時(shí)間單位、長度單位和質(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。 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(shí)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(shí)，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 Menu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas 點(diǎn)擊模型中要選定的區(qū)域。 重復(fù)以上三個(gè)步驟，直至處理完所有區(qū)域。 施加約束和荷載 在施加邊界條件和荷載時(shí)，既可以給實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）施加邊界條件和荷載。 隧道結(jié)構(gòu)分析中，主要是給彈簧施加自由度約束。 求解 接著就可以進(jìn)行求解， ANSYS 程序根據(jù) 現(xiàn)有選項(xiàng)的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進(jìn)行計(jì)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。對于隧道結(jié)構(gòu)受力分析中，很重要一點(diǎn)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。最后按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度和變形驗(yàn)算，如果不滿足設(shè)計(jì)要求，提出相應(yīng)的參數(shù)修改意見，再進(jìn)行新的分析。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(jì)算分析。 ? 采用 C30 鋼筋混凝土為襯砌材料。 ? 隧道仰拱下承受水壓，水壓 。 表 33 物理力學(xué)指標(biāo) 名稱 容重 ? （ 3/mkN ） 彈性 抗 力系數(shù) K（ MPz/m） 彈性模量 E（ GPa） 泊松比 v 內(nèi)摩擦角 ? （。對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。隧道仰拱部受到的水壓 按照徑向方向載置換為等效節(jié) 點(diǎn)力 ,分解為水平豎直方向加