隧道结构受力分析提交

1、-. z.工程构造破坏过程数值试验题目名称：隧道开挖支护构造受力分析 姓 名：* 班 级：* 学 号： * 指导教师：* 日 期：*-. z.工程构造破坏过程数值试验课程编号：课程名称：工程构造破坏过程数值试验 学生班级：学 号：目录：TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc30448 1.题目 PAGEREF _Toc30448 1 HYPERLINK l _Toc30873 2.问题描述 PAGEREF _Toc30873 1 HYPERLINK l _Toc2147 3.数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题 PAGEREF _Toc2147 2 HYPERLINK

2、 l _Toc22367 4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。 PAGEREF _Toc22367 2 HYPERLINK l _Toc31054 5.计算模型边界条件与初始条件 PAGEREF _Toc31054 3 HYPERLINK l _Toc2313 6.模拟荷载及荷载的动态变化 PAGEREF _Toc2313 6 HYPERLINK l _Toc21171 7.确定计算的收敛评判依据 PAGEREF _Toc21171 8 HYPERLINK l _Toc16088 8. 考察各环节简化的合理性 PAGEREF _Toc16088 8 HYPERLINK l _Toc173

3、89 9.模型中与水的相互作用 PAGEREF _Toc17389 8 HYPERLINK l _Toc10582 10. 求解运算 PAGEREF _Toc10582 8 HYPERLINK l _Toc26513 11.确定后处理方法或反分析 PAGEREF _Toc26513 9 HYPERLINK l _Toc15404 12.数值分析结果 PAGEREF _Toc15404 12-. z.1.题目隧道开挖支护构造受力分析2.问题描述选取*新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护构造如图1所示。为保证构造的平安性，采用了载荷-构造模型。主要参数如下： 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，

4、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 隧道支护构造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KN/m3弹性抗力系数KMPa/m弹性模量EGPa泊松比内摩擦角。凝聚力CMPaIV级围岩223001.50.32 290.35C30钢筋混凝土25 -30 0.2 542.42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80225160

5、45通过ANSYS添加200000根据铁路隧道设计规*，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*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平安性，必须对隧道构造进展受力分析。由于隧道构造是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面构造是不同的，隧道构造的变形受到周围岩土体本身的约束。从*

6、种意义上讲，围岩也是地下构造的载荷，同时也是构造本身的一局部。因此，不能完全采用地面构造受力分析方法来对隧道构造进展分析。当前，对隧道支护构造体系一般按照载荷构造模型进展演算，按照此模型设计的隧道支护构造偏于保守。再借助于有限元软件实现对隧道构造的受力分析。4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。ANSYS软件是融构造、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

7、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构造模型。载荷构造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，但在对围岩和支护构造相互作用的处理上，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。隧道构造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图2 单元类型库

8、对话框定义单元类型为beam3单元。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构造BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.65、惯性矩IZZ：0.022885417、高度HEIGHT：0.65；图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框隧道腰部和顶部衬砌支护构造BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.85、惯性矩IZZ：0.05117833、高度HEIGHT：0.85图5 BIN14实常数对话框1创立隧道衬砌支护关键点：表3 关键点坐标关键点号*YZ关键点号*YZ1 0 0054.025.502 03.85064.93.85030.885.5074.90042

9、.456.150 创立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：F*=-161803，FY=70381，节点1

10、9：F*=-182309，FY=50101；节点20：F*=-198904，FY=13093；节点21：F*=0；FY=125960；节点22：F*=13093，FY=182309；节点23：F*=182309，FY=50101；节点24：F*=161803，FY=70381。最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护构造模型图：图14 施加约束和载荷后隧道构造模型7.确定计算的收敛评判依据模型主要是构造刚度的大小；线性算法求解器；非线性逼近技术；加快计算速度；荷载步的设置直接影响到收敛。考察各环节简化的合理性将隧道构造简化为载荷构造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构造施加主

11、动荷载，而且由于围岩与支护构造的相互作用，还会对支护构造施加约束反力。该模型广泛应用于我国铁路隧道，并且在实使用中，它根本能反映出支护构造的实际受力情况。计算荷载阶段只考虑围岩压力、支护构造自重、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，而后进展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

12、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。求解运算图15 求解选项信息图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，对于隧道构造的受力分析，很重要的一点就是进入处理器后，观察构造受力变形图，根据弹簧单元只能受压的性质，去掉受拉弹簧，在进展求解，随后再观察构造受力变形图，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，就得到隧道构造受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护构造的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出构造的变形