JispNortheastern University题目名称：隧道开挖支护结构受力分析姓名：XXX班级：XXX学号：XXX指导教师：XXX日期： XXX工程结构破坏过程数值试验课程编号：课程名称：工程结构破坏过程数值试验 学生班级：学 号：目录：1.题目02.问题描述03. 数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题 14. 软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。 15. 计算模型边界条件与初始条件 26. 模拟荷载及荷载的动态变化 57. 确定计算的收敛评判依据 78. 考察各环节简化的合理性 79. 模型中与水的相互作用710. 求解运算711.确定后处理方法或反分析812.数值分析结果111.题目隧道开挖支护结构受力分析2. 问题描述选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图 1 所示。 为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。主要参数如下： 隧道腰部和顶部衬砌厚度是 65mm ，隧道仰拱衬砌厚度为 85cm ； 采用 C30 钢筋混凝土为衬砌材料； 隧道围岩是 IV 级，洞跨是 5.36m ，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水压，水压 0.2MPa 。图 1 隧道支护结构断面图隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的 物理力学指标见表 1。表 1 C30 钢筋混凝土的物理力学指标名称容重丫（KN/m3）弹性抗力系 数 K （MPa/m）弹性模 量E（GPa）泊松比V内摩擦 角申（。）凝聚力C （MPa）IV级围岩223001.50.32290.35C30钢筋混 凝土52300.2542.42表 2 载荷计算表载荷种类围岩压力结构自重水压 （N/m3）垂直均布力（N/m3）水平均布力（N/m3）值8022516045通过ANSYS 添加200000根据铁路隧道设计规范，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平 均布力，见表 2。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两 相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷 的总和。自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压 0.2MPa 按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。3. 数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。 由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不 同的，隧道结构的变形受到周围岩土体本身的约束。从某种意义上讲，围岩也是 地下结构的载荷，同时也是结构本身的一部分。因此，不能完全采用地面结构受 力分析方法来对隧道结构进行分析。当前，对隧道支护结构体系一般按照载荷 结构模型进行演算，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。再借助于有限元 软件实现对隧道结构的受力分析。4. 软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车 交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用 家电等领域有着广泛的应用。 ANSYS 功能强大，操作简单方便，现在已成为国 际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。本次模拟运用模型为载荷结构模型。载荷结构模型虽然都是以承受岩 体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，但在对围岩和支护结构 相互作用的处理上，大致有三种做法：（1）主动荷载模型（2）主动荷载加被动 荷载（弹性抗力）模型（3）实际荷载模型。隧道结构设计一般采用主动荷载加 被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动荷载和被动荷载。主要参数如下：隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm； 采用 C30 钢筋混凝土为衬砌材料； 隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水压，水压 0.2MPa。5. 计算模型边界条件与初始条件Only structural element types are shownLibrary of Element TypesElement type reference number2D elastic2D elastic 3plasti 匚 23 tapered 54 3D finite strain2 node 1883 node 189CancelRs- EApplyHelp图 2 单元类型库对话框 定义单元类型为“beam3单元。Eleme仃tTyp皂R亡fie亡n匚亡No1Real Constant Set No.：1Cross-sectional area AREAArea moment of inertia IZZTotal beam height HEIGHTShear deflection constant SHEARZInitial strainISTRN0.650.0228854170.65Added mass/unit length ADDMAS图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA： 0.65、惯性矩 IZZ： 0.022885417、高度 HEIGHT： 0.65；隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA： 0.85、惯性 矩 IZZ： 0.05117833、高度 HEIGHT： 0.85Nonlinear damping coeff CV2图 5 COMBIN14 实常数对话框1）创建隧道衬砌支护关键点：表 3 关键点坐标关键点号XY关键点号100054.025.5203.850 64.93.8530.885.5074.9042.456.150 创建隧道衬砌支护线模型图 6 画弧线对话框分别在图 6 栏中依次输入 3.21，2，3，6；2.22，3，4，6；2.22，4，5， 2； 3.21, 5，6, 2； 8.13, 6, 7, 2； 6, 7，1, 4。最后单击 OK 按钮生成隧道衬 砌支护线模型。图 7 隧道衬砌支护线模型图 8 隧道支护单元图图 9 定义弹簧单元对话框图 10 添加弹簧单元后的单元网格图6. 模拟荷载及荷载的动态变化 给弹簧单元施加约束图 11 为节点施加位移约束对话框 施加重力加速度图 12 施加重力加速度对话框 对隧道衬砌支护施加围岩压力图 13 施加节点力对话框 对隧道仰拱施加水压节点 18： FX=-161803, FY=70381,节点 19： FX=-182309, FY=50101； 节点 20：FX=-198904,FY=13093；节点 21 ：FX=0；FY=125960；节点 22：FX=13093, FY=182309；节点 23： FX=182309, FY=50101；节点 24： FX=161803, FY=70381。最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护结构模型图：7. 确定计算的收敛评判依据（1）模型主要是结构刚度的大小；（2）线性算法（求解器）；（3）非线性逼近技术；（4）加快计算速度；（5）荷载步的设置直接影响到收敛。8. 考察各环节简化的合理性将隧道结构简化为载荷结构模型中的主动荷载和被动荷载模型，此模型 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用， 还会对支护结构施加约束反力。该模型广泛应用于我国铁路隧道，并且在实使用 中，它基本能反映出支护结构的实际受力情况。计算荷载阶段只考虑围岩压力、 支护结构自重、地下水压力、围岩的弹性抗力，其他荷载不予考虑。9. 模型中与水的相互作用隧道模型与水环境之间的作用链，包括水环境对于隧道工程作用以及 隧道工程对于水环境作用两方面。其中水环境对其作用主要是隧洞涌，漏水与承 受水压力。在含水层开挖隧道，因其洞顶有着一定程度的地下水，导致隧道洞中 产生突水以及涌水现象，而后进行的隧道衬砌承受水的静水压力。而隧道工程对 于水环境的反作用则导致隧道洞顶环境灾害。隧道的涌排水则使得地下水逐步排 干，水文地质条件不断恶化，地下水位持续下降，地下漏斗不断扩展，导致洞顶 的地表水资源枯竭，水环境平衡被破坏，最终引发生态环境恶化甚至地面塌陷等 自然灾害。10.求解运算图 15 求解选项信息SOLVE Begin Solution of Current Load StepReview tiie summary infarmation in tiie lister window (entitled /STATUS Cammandj tiien press OK to start tiie solution.图 16 当前求解载荷步对话框11.确定后处理方法或反分析后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果，对于隧道结构的受力 分析，很重要的一点就是进入处理器后，观察结构受力变形图，根据弹簧单元只 能受压的性质，去掉受拉弹簧，在进行求解，随后再观察结构受力变形图，看有 没有受拉弹簧；如此反复，知道受力图形中再无受拉弹簧为止。这时，就得到隧 道结构受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护结构的变形图、弯矩 图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出结构的变形图和内 力图。图 17 没有受拉弹簧时的隧道结构模型图图 18 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图 19 第二次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图 20 最后隧道衬砌支护结构变形图图 21 结构弯矩图（单位： N.m ）图 22 结构剪力图（单位： N ）图 23 结构轴力图（单位： N ）12.数值分析结果1）列表显示各节点的位移FilePRINT UNODAL SOLUTION PER NODE1 1+ POST1 NODAL DEGREE OF FREEDOI LISTING+LOAD STEP=1 SUBSTEP=1TIIE=1.0000LOAD CASE=0THE FOLLOWING DEGREE OF FREEDOIRESULTS AREIN THE GLOBALCOORDINATESYSTEI