基于ANSYS的隧道二衬内力计算

基于ANSYS的隧道二衬内力计算围岩压力计算

基本概念地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。围岩位移曲线支护特性曲线围岩松动压力曲线松动压力支护特性曲线这里，我们计算松动围岩压力来作用于二衬。深埋隧道围岩松动压力计算

在隧道工程中，计算其上作用荷载的方法与其他的结构计算中采用的方法不同，通常不能通过公式准确计算得出，在很大程度上需依靠经验数据，计算方法为现象模拟方法。运用统计法计算，竖向均布作用为

式中S——围岩级别

γ——围岩重度

ω——宽度影响系数，其值为：ω=1+i（B-5）B——坑道宽度i——此处取i=0.1。注：此公式规定应用条件限制在采用在钻爆法施工的深埋隧道，且H/B＜1.7的范围内（H为坑道的高度，B为坑道宽度）。水平均布压力如下表：表4-2围岩水平均布作用压力浅埋隧道围岩压力计算

当隧道埋深h大于等效荷载高度时，随着隧道埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。i)求破裂面倾角β：式中θ—顶板土体两侧摩擦角；

—围岩的摩擦角。

ii)求侧压力系数λ：

iii)求围岩垂直均布松动压力q：

式中B—坑道跨度；

h—洞顶岩体覆盖层厚度；

γ—围岩重度。iv)求围岩水平均布松动压力：水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为：式中H—地面到洞底岩体高度。二次衬砌支护承载比例2010年，我国《公路隧道设计细则》规定双车道及三车道分离式公路隧道，利用荷载结构法计算时，初期支护与二次衬砌的支护承载比例可参考下表的规定。取Ⅲ级深埋围岩压力进行二衬内力计算：q=70.416（kPa）e=0.15×q=10.5624（kPa）按规定这里取30%的二衬承载比例，则q=70.416×0.3=21.1248（kPa）e=10.5624×0.3=3.1687（kPa）只考虑围岩压力及结构自重，采用全周弹簧模型。Ⅲ级围岩衬砌采用C25钢筋混凝土结构，厚35cm，容重23，弹性模量29.5GPa，泊松比0.2.。Ⅲ级围岩，取弹性抗力系数为K=800MPa/m。深埋荷载分布图二衬内力计算一、AutoCAD中操作1、首先在CAD中将衬砌轮廓图画好2、运用boundary

命令，对象类型选择面域，并选择拾取点，点击区域，使它变成面域，然后回车。或直接点击绘图〉面域，创建面域。3、选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并进行保存。

ANSYS中操作

1、打开ansys软件

在ansys

软件中将保存的sat文件打开，过程如图。2、sat文件在ansys中的显示，选择front

view

平面图。3、选择重新设置4、显示面域

plot

→areas

5、删除面域。Delete→areas

only

选择pick

all，点击ok。6、然后重新显示线plot

→lines因Ⅲ级围岩段无仰拱，故需删除下面横线。7、Delete→linesonly

选择线

，点击ok。8、创建扬工作标吃题。执行File中>cha材ng弓Titl舅e命令鸡，输倍入标央题。9、选择学挺科范围。Main本Men兴u>Pr耕efer悼ence砍s>St游ruct蛇ural，点击OK。10、定义雅单元类迁型Ma倦in击Me孝nu瞒>P关re撤pr垒oc喉es颜so苦r>河El身em柴en碑tT保yp冤e>划Ad姥d/Edi胶t/D屿ele雹te>丈Add，为拱形闪衬砌结构漠定义Beam赖3的梁单元壤类型。定义Beam欧3单元对觉话框单元类都型对话存框11、定义蠢截面。执行Main始Men冬u>Pr间epro扒cess淋or>S诊ecti际ons>拖beam>Com强mon辫Sec赵tion覆s命令，稠依次输笼入截面严号ID为1，截面痰形状Sub-忌Type为矩习形，撒平移语截面言节点育的位池置Of劳fs秀et引To到Cent参roid（质心）萌，截面宽干度1m，高度牺为0.3长5m，则截面1定义完剪成。12、定义实锁常数执行Ma砍in照M孟en材u>秃Pr桐ep急ro瓣ce会ss虾or伙>R倍ea乓l革Co俩ns形ta蚀nt夏s>Add/苍Edit膊/Del眯ete>计Add命令，选长中Type粪1辈BEAM朽3，点击OK，面积AREA＝bh，惯性胀矩IZZ=细bh3/1导2，高HEI豪GHT汤=h,点击OK；13、定义材料傻属性：Main井Men赴u>P圈repr背oces推sor>牢Mat蜡eria盘lPr保ops>孟Mat跪eria饿lMo膛dels，在武对话身框中懂选择Stru妙ctur图al>偷Line姐ar>识Elas剑tic>慨Isot吉ropi筹c，输入寨弹性模绪量EX团=2制9.好5e笑9，泊吓松比PRX匹Y=0贡.2,单击OK。再选择Stru缴ctur御al>D迅ensi爽ty，输入密木度DE呜NS各=2攀30勿0。14单元网格劳划分：执行Main兔Men衡u>Pr洽epro柳cess告or>M姨eshi酸ng>M多eshToo沾l命令，应在Elem迫ent删Att沫ribu艘tes栏选峰择Lin佩es，单断击右允边Set按钮，选柿中L1后单击OK，弹膜出为怖线分抚配单腥元属木性对卷话框阿，为L1选取1号材料、1号实常数医、1号单辛元和1号截遣面。监单击OK回到Mes扎hTo您ol对话框。单击Siz刃e孙Con机tro炸ls栏下Li隙ne屋s右边的Se慈t，为线的物网格划分撑设置单元竞尺寸控制劈燕参数。选累中L1单击OK，在NDIV栏输男入40，即一泄条线划容分为40个单元。就单击OK，回枕到Me做sh杜To丈ol对话框。帝单击Me船sh，选中L1，单击OK,网格划旋分完毕幕。15、查看单错元执行Pl辉ot申Ct赴rl兄s>接Nu纠mb潜er概in婆g命令棒，如亩图单击ok，执睬行plo夹t>E暴lem酿ent秋s命令，得粥单元和各滴自单元号您。16、查围看节兵点执行Pl除ot捕Ct绕rl福s>罚Nu吩mb爱er困in埋g命令点击OK，得到巾节点编真号图。将划分网殿格后文件骨存盘，Fil译e>S逗ave页a腰s命令雪，保窄存为db格式。17、计算诱主动压扣力产生乘的等效钳节点荷这载：执行Uti旁lit植yM掌enu弱>Li陪st怒>No理de命令，在纲对话框中捧选择Coor伶dina龄tes笼only，查货询节姐点坐善标，璃并另亲存为捧文本乐。通过Ex室ce仙l工作廉表将错各等减效节虏点荷示载整誓理为益命令庆流。小技责巧：膛把荷篮载命童令列螺、节行点号县列、炭荷载圾属性缩慧列、性荷载泛大小弃列现汁在Exce碰l里编遗好，右再另课存为CSV类型，出惑现对话框铁都确定。意然后用记厚事本打开柿。18、施暖加等顷效节闭点荷战载将命令流罗粘贴到AN溜SY画S输入管窗口筐中，薪回车诸。单折击SA季VE拔-D沾B存盘。19、施季加径挑向弹锹簧1）建叛立柱晌坐标台系作将为局高部坐两标系执行Uti津lit丢y地Men灵u>W帜ork脆Pla贡ne>蔑Loc淹al曾Coo宋rdi蜓nat售eS严yst挖ems避>Cr丢eat群Lo粗cal骡CS晨>At救Sp果eci暗fie混dL翅oc命令撒，选逼中圆使心，尊单击OK，在KC冷N栏输彼入编学号11（大于10）；悦在KCS栏选择唤柱坐标益系代码1，ok。2）激活纱局部坐选标系Util国ity追Men挺u>Wo绑rkPl凯ane>繁Chan冬geA免ctiv伤eCS炎to>斤Spec仓ifie盒dCo剃ord舰Sys命令旦，输隶入编缩慧号11乡丰.同理整悟理好弹坑簧命令析流。其中，lo手ca气l表示烦定义鱼局部翁坐标死系命贱令；11为局仰部坐斧标系应编号丙；1代表柱坐闪标系；1237午.05和440.速1表示设德置柱坐半标系的袭坐标原素点；cys砌y，11表激活局穿部坐标系11；ps字pr仪ng表示截建立氧弹簧牢命令浑；1表节点编允号；tran表施积加径奇向弹绩簧；40英00冲00灾00做0表示弹簧亦弹性系数像；1表示跪弹簧陈在沿牲柱坐详标系x方向有披一个单老位的长插度。将弹簧命母令流输入an晓sy垫s中，盘得下矛图。20、施加泄约束条祝件Main巨Men布u>So路luti推on>D草efin杆eLo抄ads>深Appl培y>St废ruct焦ural某>Dis稍plac获emen技t>o跃n杜No颗de乏s，弹每出在桂节点蹄上施迈加位船移约则束对周话框诞，用增鼠标踏选取向节点1和2，单斤击“OK”按钮，掉弹出“App蚁ly轰U,R返OT哪on陆Nod墙es”对魔话框都，21、施加飘重力连加速馒度：Mai树nM扰enu虫>So族lut锁ion弄>De梳fin个eLo顷ads茶>Ap活ply制>Stru咐ctur紧al>I浩nert文ia>G鱼ravi胡ty，弹出“App紧ly(缠Gra哪vit千ati吩ona跳l)A短cce驱ler抵ati钻on”对芒话框射，如白图所共示。倍只需芦在“Glob脂alC胶arte邻sian劫Y-c床omp”栏饭后面劈燕输入艳重力杂加速宁度值同“9.8”就赶可以看，单鉴击“OK”按钮中，就完类成了重献力加速烤度的施尼加22、求解运休算：执行Ma捞in德M础en绪u>饮So旗lu诱ti晃on日>Anal誉ysis产Typ恶e>Ne挺wAn洒akys顾is命令掘，设析置St广at赴ic分析类型渗。执行Ma援in池M墓en俱u>甩So哄lu友ti屋on今>S吩ol紫ve辫>Cur饼ren择tL电S，弹出一鸣个求解选垫项信息和脾一个当前求解载荷膛步对话框膊，检查信最息无错误曲后，单击洲“OK”，轿开始鸟求解糖运算晕，直假到出佩现一板个“So枯lu伸ti垒on英i都s盾do陷ne”的提膊示栏，浑表示求政解结束野。后处理执行Mai歪nM摇enu婶>Ge浑ner牺al鼓Pos即tpr痕oc>涌Rea蹲dR炒esu喊lts掌>La躺st烘Set命令，读当取计算结驼果。查看隧洲道衬砌钥支护结仆构变形撤图：Mai旱nM合enu>Ge夸ner顾al亚Pos迷tpr承oc>爱Plo锐tR己esu市lts丝式>De召for僚med分sh营ape，弹天出一即个“Plot观Def惭orme点dSh醒ape”的对话链框，选中如“De纹f+境un跨de鹿fo辈rm茶ed”并竹单击真“OK”，绞出现稼隧道驶衬砌巷支护闻结构臭变形哪图。执行Main辫Men辈u>Ge乘nera旦lPo巷stpr达oc>El院em列en董t脸Ta诵bl屯e>晶De饼fi黑ne变T抄ab巧le配,定义结果孝显示列表济，再执行Mai枝nM犬enu搂>Ge身ner般al炊Pos郊tpr握oc>El胶em历en助t有Ta潮bl士e>穷Li就st强E绸le瓣m悔Ta尖bl堤e,选择NI，得各示单元轴轮力。（正值寒受拉，录负值受为压）除扬去受拉裳弹簧，伤则得到49-材72号弹埋簧受宣拉，付需去浅除。执行Mai赛nM罩enu铅>Pr杆epr建oce猴sso舌r>M冈ode妖lin煌g>D举ele挣te>Ele恼ment序s，弹出立一个删合除单元但选取对像话框（分批香多次去涝除），执行Ma她in很Me馅nu爱>P疏re拌pr用oc洒es吸so栽r>冈Mo退de令li漏ng俱>D