隧道结构受力分析

1、实例1 隧道结构受力分析1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3-3 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3-4。表3-4 C30钢筋混凝土的物理力学指标名称容重（KN/m3）弹性抗力系数K（MPa/m）弹性模量E（GPa）泊松比内摩擦角（。）凝聚力C（MPa

2、）IV级围岩223001.50.32290.35C30钢筋混凝土25-300.2542.42表3-5 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3-5。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

3、载。2. 求解步骤第一步：定义工作文件名和工作标题 进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu：FileChange Jobname，出现Change Jobname对话框。在【/FILNAM】Enter new Jobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。 选择菜单Utility Menu：FileChange Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK按钮关闭该对话框。第二步：定义单元类型选择菜单Main Menu

4、：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。在左侧滚动栏中选择Structural Beam，在右侧滚动栏中选择2D elestic 3，单击Apply按钮，定义Beam3单元，如图2所示。再在左侧滚动栏中选取Combination选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper 14，单击OK按钮，定义Combin14单元，最后单击Close按钮关闭对话框。图2 单元类型库对话框第三步：定义单元实常数 选择菜单Main Menu：Pre

5、processorReal ConstantsAdd/Edit/Delete命令，出现Real Contants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Contants对话框，单击OK按钮，选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，最后在弹出的Real Constant for BEAM3对话框中分别输入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，如图3所示。图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框 单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框

6、中选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，在打开的对话框中分别输入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：0.85，如图4所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同，所以要建立两个BEAM3实常数。图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框 单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE 2 Combin14，单击OK按钮，打开如图5所示的Real Constants Set Numbere 3 for COMBIN14对话框，然后在Spring consta

7、nt栏后输入30000000，单击OK按钮，单击Close按钮关闭对话框。图5 COMBIN14实常数对话框第四步：定义材料属性 选择菜单Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，出现Define Material Behavior对话框。 在Material Models Available一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，在EX对话框中输入3e10，在PRXY输入

8、栏中输入0.2，如图6所示，单击OK按钮关闭该对话框。 单击Structural、Density选项，在弹出的Density for Material Numbere 1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500，如图7所示。单击OK按钮，选择MaterialExit，退出材料定义对话框。图6 线弹性材料模型对话框图7 材料密度输入对话框第五步：建立模型和划分网格 创建隧道衬砌支护关键点选择菜单Main Menu：PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS命令，出现Create Keypoints in Active Coordinate

9、System对话框，输入表1中的关键点坐标。最后单击OK按钮，生成7个关键点。表1 关键点坐标关键点号XYZ关键点号XYZ100054.025.50203.85064.93.85030.885.5074.90042.456.150 创建隧道衬砌支护线模型选择菜单Main Menu：PreprocessorModelingCreateLinesArcsBy End KPs & Rad命令，在打开的对话框中输入1，2，单击Apply按钮，继续输入6，单击OK按钮，弹出Arc By End KPs & Radius对话框，如图9所示。在RAD Radius of the arc栏后面

10、输入弧线半径8.13，单击Apply按钮，创建弧线1。图9 画弧线对话框重复以上步骤，分别在图9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，如图10所示。图10 隧道衬砌支护线模型 保存几何模型文件选择菜单Utility Menu：FileSave as命令，打开Save Database对话框，在Save Database to下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db，单击OK按钮。 为线赋予特性选择菜单Main Menu：Preprocesso

11、rMeshingMesh Tool命令，打开Mesh Tool对话框，在Element Attribute后面的下拉菜单选择Lines，单击Set按钮，打开Line Attribute线拾取框，在输入栏中输入1，2，3，4，5，6，单击OK按钮，打开Line Attributes对话框，在Material number后面的下拉菜单中选择1，在Real Constant set number后面的下拉菜单中选择1，在Element type number后面的下拉菜单中选择1 BEAM3，如图11所示。单击Apply按钮再次打开线拾取框。用同样的方法为线7赋予特性，其它选项与1到6的线一样，只

12、是在Real Constant set number后面的下拉菜单中选择2，单击OK按钮退出。图11 赋予线特性对话框 控制线尺寸在Mesh Tool对话框中Size Controls下面选择栏中的Lines右边单击Set按钮，在打开的对话框中拾取线1和6，单击拾取框上的OK按钮，打开Element Sizes on picked Lines对话框，如图12所示。在No.of element divisions栏后面输入4，再单击Apply按钮。用同样的方法控制线2、3、4、5、6、7的尺寸，只实线2、3、4、5在No.of element divisions栏后面输入2，线7在No.of e

13、lement divisions栏后面输入8。图12 线单元尺寸划分对话框 划分网格在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，打开一个对话框，单击Pick All按钮，生成24个梁单元，如图13所示。图13 隧道支护单元图 创建弹簧单元选择菜单Main Menu：PreprocessorModelingCreatePiping ModelsSpring Support命令，打开选择节点对话框，选择节点1后，单击OK按钮，打开一个Define Spring Support对话框，如图14所示。图14 定义弹簧单元对话框在图14所示对话框中的Node at spring location栏后面输入弹簧节

14、点位置编号1，在Type of Spring后面的下拉菜单中选择Translational，在Spring Constant栏后面输入弹簧系数300000000，在DX，DY，DZ Distance to ground pt栏后面分别输入弹簧另一端点的坐标值：-0.97029572,-0.241921895,0。单击Apply按钮，用同样的方法生成其他的弹簧单元，其节点号及坐标值见表2。最后单击OK按钮，就完成了弹簧单元的创建，得到添加弹簧单元的单元网格图，如图15所示。表2 弹簧单元参数表Spring ConstantDXDYDZ2300000000-0.97029572-0.2419218

15、9503300000000-0.974370060.2249510504300000000-0.98628560-0.160476805300000000-0.99996192-0.0087265406300000000-0.989015860.1478094107300000000-0.707106780.70710678010300000000-0.882947570.4694715610113000000000.707106780.707106780123000000000.974370060.224951050133000000000.882947570.469471561014300

16、0000000.97029572-0.2419218950153000000000.989015860.147809410163000000000.99996192-0.008726540173000000000.98628560-0.16047680183000000000.30901699-0.951056510193000000000.20791169-0.97814760203000000000.10452846-0.994521890213000000000-1022300000000-0.10452846-0.99452189023300000000-0.20791169-0.97

17、81476024300000000-0.30901699-0.951056510图15 添加弹簧单元后的单元网格图第六步：施加约束和载荷 给弹簧单元施加约束选择菜单Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，打开在节点上施加位移约束对话框，点选单元最外层节点共21个节点，单击OK按钮，打开Apply U，ROT on Nodes对话框，如图16所示。图16 为节点施加位移约束对话框在DOFs tu be constrained栏后面选取UX，UY，接着在Apply as栏后面的下拉菜单中选取Consta

18、nt value选项，并在Displacement value栏后面输入0值，然后单击OK按钮，完成对弹簧节点位移的约束。 施加重力加速度选择菜单Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravity命令，打开Apply（Gravitational）Acceleration对话框，如图17所示。在Global Cartesian Y-comp栏后面输入重力加速度值9.8，单击OK按钮，完成重力加速度的施加。图17 施加重力加速度对话框 对隧道衬砌支护施加围岩压力选择菜单Main Menu：SolutionDefine LoadsA

19、pplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道支护线腰部和顶部的所有节点，打开Apply F/M on Nodes对话框，如图18所示。在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/moment value栏中输入围岩垂直均布力-80225。图18 施加节点力对话框单击Apply按钮，在打开对话框后选择隧道支护线剩下的节点，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/moment value栏中输入围岩垂直均布力-80225。再单击Apply按钮

20、，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上的1、2、3、4、5、6、7、8、9、22、23、24共12个节点，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/moment value栏中输入围岩水平均布力16045。再次单击Apply按钮，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上剩下的12个节点，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/moment value栏中输入围岩水平均布力-16045。单击OK按钮，完成

21、对隧道衬砌支护施加围岩压力。 对隧道仰拱施加水压选择菜单Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道仰拱节点18，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/moment value栏中输入水平水压力-161803.再次单击Apply按钮，又打开一个对话框，选择节点18，又打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/moment

22、value栏中输入围岩水平均布力70381，单击OK按钮，完成节点18的水压力的施加。使用同样的方法对仰拱的其他节点施加水压，只是数值不同：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，如图19所示。图19 施加约束和载荷后隧道结构模型第七步：求解计算选择菜单Main Menu：SolutionSolveCurr

23、ent LS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，如图20和图21所示，检查信息无误后，单击OK按钮，开始求解计算，求解结束后，弹出Solution is done提示栏，单击Close按钮关闭提示栏。图20 求解选项信息图21 当前求解载荷步对话框第八步：后处理（对计算结果进行分析） 计算分析修改模型1）查看隧道衬砌支护结构变形图选择菜单Main Menu：General PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，如图22所示，选中Def+underformed，单击OK按钮，将出现隧道衬砌支护结构

24、变形图，如图23所示。图22 查看变形图对话框图23 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图从图23的初次分析隧道衬砌支护结构变形图中可以看出弹簧26、30、31、32、33、34是受拉的，因为用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的地层弹簧只能承受压力，所以这6根弹簧必须去掉，再重新计算，直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。2）删除受拉弹簧单元选择菜单Main Menu：PreprocessorModelingDeleteElements命令，打开一个删除单元选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK按钮。选择菜单Main Menu：PreprocessorModelingD

25、eleteNodes命令，打开一个删除节点选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK按钮。3）第二次求解选择菜单Main Menu：SolutionSolveCurrent LS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，接受默认设置，单击OK按钮，开始求解计算，直到出现一个Solution is done提示栏，单击Close按钮关闭提示栏。4）查看第二次分析计算结构变形图选择菜单Main Menu：General PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，选中Def+unde

26、rformed，单击OK按钮，将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。经过2次计算，得到没有受拉弹簧时的隧道结构模型，如图24所示。其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图25所示。图24 没有受拉弹簧时的隧道结构模型图图25 最终隧道结构变形图5）保存计算结果选择菜单Utility Menu：FileSave as命令，打开Save Database对话框，在Save Database to下面的输入栏中输入文件名Support-result.db，单击OK按钮。 画出主要图形1）绘制结构变形图选择菜单Main Menu：General PostprocPlot ResultsDefo

27、rmed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，选中Def+underformed，单击OK按钮，得到隧道结构变形图，如图25所示。2）将节点弯矩、剪力、轴力制表选择菜单Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table命令，打开一个Element Table Data对话框，如图26所示。单击Add按钮，打开一个Define Additional Element Table Items对话框，如图27所示。图26 单元数据制表对话框图27 定义单元数据表对话框在User label for item栏后面输入IM

28、OMEMT，在Item，Comp Results data item栏后面的左边下拉菜单中选取By sequence num，并在右栏输入6，然后单击Apply按钮；再次在User label for item栏后面输入JMOMENT，在Item，Comp Results data item栏后面的左边下拉菜单中选取By sequence num，并在右栏输入12，然后单击Apply按钮；使用同样的方法依次输入ISHEAR，2；JSHEAR，8；ZHOULI-I，1；ZHOULI-J，7。最后得到定义好后的单元数据表对话框，如图28所示。图28 定义好后的单元数据表对话框3）设置弯矩分布标题选

29、择菜单Utility Menu：FileChange Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入BENDING MOMENT distribution，单击OK按钮关闭该对话框。4）画结构弯矩图选择菜单Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour PlotLine Element Results命令，打开一个Plot Line-Element Results对话框，如图29所示。在Elem table item at node I栏后面的下拉菜单中选取IMOMEMT，在Elem table item at node J栏后面

30、的下拉菜单中选取JMOMENT，在Optional scale factor后面栏中输入-0.8，在Items to be plotted on栏后面选择Deformed shape单选按钮，最后单击OK按钮，得到隧道衬砌支护结构的弯矩图，如图30所示。图29 画结构弯矩图对话框图30 结构弯矩图（单位：N.m）5）设置剪力分布标题选择菜单Utility Menu：FileChange Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入SHEAR force distribution，单击OK按钮关闭该对话框。6）画结构剪力图选择菜单Main Menu：General Post

31、procPlot ResultsContour PlotLine Element Results命令，打开一个Plot Line-Element Results对话框。在Elem table item at node I栏后面的下拉菜单中选取ISHEAR，在Elem table item at node J栏后面的下拉菜单中选取JSHEAR，在Optional scale factor后面栏中输入-1，在Items to be plotted on栏后面选择Deformed shape单选按钮，最后单击OK按钮，得到隧道衬砌支护结构的剪力图，如图31所示。图31 结构剪力图（单位：N）7）设置

32、轴力分布标题选择菜单Utility Menu：FileChange Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入ZHOULI force distribution，单击OK按钮关闭该对话框。8）画结构轴力图选择菜单Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour PlotLine Element Results命令，打开一个Plot Line-Element Results对话框。在Elem table item at node I栏后面的下拉菜单中选取ZHOULI-I，在Elem table item at node J栏后面的

33、下拉菜单中选取ZHOULI-J，在Optional scale factor后面栏中输入-0.6，在Items to be plotted on栏后面选择Deformed shape单选按钮，最后单击OK按钮，得到隧道衬砌支护结构的轴力图，如图32所示。图32 结构轴力图（单位：N） 列出主要数据1）列表显示各节点的位移选择菜单Main Menu：General PostprocList ResultsNodal Solution命令，打开一个List Nodal Solution对话框，如图33所示。依次单击Nodal Solution和DOF Solution，选择Displacement

34、 Vector sum，然后单击OK按钮，打开节点位移数据文件，如图34所示。图33 List Nodal Solution对话框图34 节点位移列表2）列表显示单元的弯矩，剪力和轴力选择菜单Main Menu：General PostprocList ResultsElement Table Data命令，打开一个List Element Table Data对话框，如图35所示。在Items to be listed栏后面的下拉菜单中选择IMOMEMT、JMOMENT、ISHEAR、JSHEAR、ZHOULI-I、ZHOULI-J选项，然后单击OK按钮，打开单元数据表文件，如图36所示。图

35、35 List Element Table Data对话框图36 单元表数据 选择菜单Utility Menu：FileExit命令，出现Exit from ANSYS对话框，选择Quite-No Save！选项，单击OK按钮，关闭ANSYS。附：命令流/FILNAME,Support！定义工作文件名/TITLE,Tunnel Support Structural Analysis ！定义工作标题/COM,Structural ！指定结构分析/PREP7 ！进入前处理器ET,1,BEAM3 ！定义单元类型ET,2,COMBIN14 MP,EX,1,3E10！定义材料弹性模量MP,PRXY,1,

36、0.2 ！定义材料泊松比MP,DENS,1,2500 ！定义材料密度R,1,0.65,0.022885417,0.65,0,0,0,！定义单元实常数R,2,0.85,0.05117833,0.85,0,0,0, R,3,30000000, K,1,0,0,0, ！创建关键点K,2,0,3.85,0K,3,0.88,5.5,0 K,4,2.45,6.15,0 K,5,4.02,5.5,0 K,6,4.9,3.85,0 K,7,4.9,0,0 LARC,1,2,6,8.13,！生成弧线LARC,2,3,6,3.21,LARC,3,4,6,2.22,LARC,4,5,2,2.22,LARC,5,6,

37、2,3.21,LARC,6,7,2,8.13,LARC,7,1,4,6, SAVE,'Support-geom','db','E:ANSYS'！保存几何模型LSEL,S,LINE,1,6,1！选择线1线6LATT,1,1,1, ！给所选线段赋予材料特性LSEL,S,7 LATT,1,2,1,LSEL,S,LINE,1,6,5LESIZE,ALL,4,！设置网格划分数为4LSEL,S,LINE,2,5,1LESIZE,ALL,2,LSEL,S,LINE,7LESIZE,ALL,8,LSEL,ALLLMESH,ALL！线网格划分PSPRNG,1,TR

38、AN,300000000,-0.97029572,-0.241921895,！添加弹簧单元PSPRNG,2,TRAN,300000000,-0.97437006,0.22495105, PSPRNG,3,TRAN,300000000,-0.98628560,-0.1604768, PSPRNG,4,TRAN,300000000,-0.99996192,-0.00872654,PSPRNG,5,TRAN,300000000,-0.98901586,0.14780941, PSPRNG,6,TRAN,300000000,-0.70710678,0.70710678, PSPRNG,7,TRAN,3

39、00000000,-0.88294757,0.469471561,PSPRNG,10,TRAN,300000000,0.70710678,0.70710678, PSPRNG,12,TRAN,300000000,0.97437006,0.22495105, PSPRNG,13,TRAN,300000000,0.88294757,0.469471561,PSPRNG,14,TRAN,300000000,0.97029572,-0.241921895, PSPRNG,15,TRAN,300000000,0.98901586,0.14780941, PSPRNG,16,TRAN,300000000,

40、0.99996192,-0.00872654,PSPRNG,17,TRAN,300000000,0.98628560,-0.1604768, PSPRNG,18,TRAN,300000000,0.30901699,-0.95105651,PSPRNG,19,TRAN,300000000,0.20791169,-0.9781476, PSPRNG,20,TRAN,300000000,0.10452846,-0.99452189,PSPRNG,21,TRAN,300000000,0,-1, PSPRNG,22,TRAN,300000000,-0.10452846,-0.99452189, PSPR

41、NG,23,TRAN,300000000,-0.20791169,-0.9781476,PSPRNG,24,TRAN,300000000,-0.30901699,-0.95105651, FINISH /SOL！进入求解器NSEL,S,NODE,25,45,1！选择隧道支护线上所有节点D,ALL,UY,0！对所选节点施加X方向约束D,ALL,UX,0ALLSEL,ALLACEL,0,9.8,0,！施加重力加速度ALLSEL,ALLNSEL,S,NODE,1,17,1F,ALL,FY,-80225！施加节点1到17上的垂直均布力NSEL,S,NODE,18,24,1F,ALL,FY,80225！施加节点18到24上的水平均布力NSEL,S,NODE,1