第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實例分析.doc

第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實例分析第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實例分析本章重點隧道工程概述 隧道施工ANSYS模擬的實現(xiàn) ANSYS隧道結(jié)構(gòu)實例分析 ANSYS隧道開挖模擬實例分析本章典型效果圖3.1 隧道工程相關(guān)概念3.1.1 隧道工程設(shè)計模型 為達(dá)到各種不同的使用目的，在山體或地面下修建的建筑物，統(tǒng)稱為“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空間作為運輸孔道，稱之為“隧道”。由于地層開挖后容易變形、塌落或是有水涌入，所以在除了在極為穩(wěn)固地層中且沒有地下水的地方以外，大都要在坑道的周圍修建支護(hù)結(jié)構(gòu)，稱之為“襯砌”。隧道工程建筑物是埋于地層中的結(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。隧道工程所處的環(huán)境條件與地面工程是全然不同的，但長期以來都沿用適應(yīng)地面的工程理論和方法來解決地下工程中所遇到的各類問題，因而常常不能正確地闡明地下工程中出現(xiàn)的各種力學(xué)現(xiàn)象和過程，是地下工程長期處于“經(jīng)驗設(shè)計”和“經(jīng)驗施工”的局面。這種局面與迅速發(fā)展的地下工程現(xiàn)實極不相稱，促使人們努力尋找新的理論和方法來解決地下工程遇到的各種問題。地下工程的設(shè)計理論和方法經(jīng)歷了一個相當(dāng)長的發(fā)展過程。在20世紀(jì)20年代以前，地下工程支護(hù)理論主要有古典的壓力理論和散體壓力理論，以磚、石頭材料作為襯砌，采用木支撐或竹支撐的分部開挖方法進(jìn)行施工。此時，只是將襯砌作為受力結(jié)構(gòu)，圍巖是看作載荷作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，這種設(shè)計理論過于保守，設(shè)計出的襯砌厚度偏大。20世紀(jì)50年代以來，巖石力學(xué)開始成為一門獨立的學(xué)科，圍巖彈性、彈塑性和粘彈性解答逐步出現(xiàn)。土力學(xué)的發(fā)展促使松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展，而巖石力學(xué)的發(fā)展則促使圍巖壓力和地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)一步的飛躍。同時，錨桿和噴射混凝土的作為初期支護(hù)得到廣泛應(yīng)用。這種柔性支護(hù)允許開挖后的圍巖有一定的變形，使圍巖能夠發(fā)揮其穩(wěn)定性，從而可以大大地減小襯砌厚度。國際隧道學(xué)會認(rèn)為，目前采用的隧道設(shè)計模型主要有以下幾種：u 以工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計方法。u 以現(xiàn)場測試和實驗室試驗為主的實用設(shè)計方法（如現(xiàn)場和實驗室的巖土力學(xué)試驗、以洞周圍測量值為基礎(chǔ)的收斂約束法以及實驗室模型試驗等）。u 作用反作用設(shè)計模型，即目前隧道設(shè)計常用的載荷結(jié)構(gòu)模型，包括彈性地基梁、彈性地基圓環(huán)等。u 連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法（封閉解和近似解）和數(shù)值法（以FEM為主）。國際隧道學(xué)會于1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計模型研究小組，收集和匯總了各會員國目前采用的隧道工程設(shè)計模型，詳見表3-1。表3-1 隧道工程設(shè)計模型國家盾構(gòu)法NATM法礦山法明挖法 中國彈性地基圓環(huán)、經(jīng)驗法初期支護(hù)：FEM、收斂 約束法 二次支護(hù)：彈性地基圓環(huán)初期支護(hù)：經(jīng)驗法 二次支護(hù)：作用與發(fā)作用法大型洞室：FEM結(jié)構(gòu)力學(xué)彎距分配法澳大利亞彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法初期支護(hù)：Proctor-White法二次支護(hù)：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法初期支護(hù)：Proctor-White法二次支護(hù)：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法結(jié)構(gòu)力學(xué)彎距分配法奧地利彈性地基圓環(huán)彈性地基圓環(huán)、FEM、收斂約束法經(jīng)驗法彈性地基框架日本局部支撐彈性地基圓環(huán)局部支撐彈性地基圓環(huán)、經(jīng)驗法加測試、FEM彈性地基框架、FEM、特征曲線法彈性地基框架、FEM德國埋深3D：全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM埋深3D：全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM彈性地基框架法國彈性地基圓環(huán)或FEMFEM、經(jīng)驗法、作用與反作用法連續(xù)介質(zhì)模型、收斂-約束法、經(jīng)驗法英國彈性地基圓環(huán)法、Muir Wood法收斂-約束法、經(jīng)驗法FEM、收斂-約束法、經(jīng)驗法矩形框架瑞士作用與反作用法FEM、收斂-約束法、經(jīng)驗法美國彈性地基圓環(huán)彈性地基圓環(huán)、FEM、Proctor-White法、經(jīng)驗法彈性地基連續(xù)框架比利時Schulze-Duddek法鋼架結(jié)構(gòu) 注：表中NATM指新奧法，是NEW AUSTRIA TUNNELING METHOD的簡稱。 FEM指有限元法，是FINITE ELEMENT METHOD的簡稱。 各種隧道設(shè)計模型各有其適合的場合，也各有自身的局限性。由于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計受到各種復(fù)雜因素的影響，因此在世界各國隧道設(shè)計中，主要采用以工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法，特別是在支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計中應(yīng)用最多。即使內(nèi)力分析采用比較嚴(yán)格的理論，其計算結(jié)果往往也需要用經(jīng)驗類比加以判斷和補(bǔ)充。如常見公路或鐵路隧道，都是選取以工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬定，可見公路或鐵路隧道設(shè)計規(guī)范。但是，采用此法設(shè)計的隧道結(jié)構(gòu)是不安全的和不經(jīng)濟(jì)的。因為設(shè)計的隧道的地質(zhì)勘探不可能做到對每一段都進(jìn)行鉆探，因而會出現(xiàn)地質(zhì)條件錯誤判斷現(xiàn)象，有可能實際圍巖類別比設(shè)計采用的要低，這樣按高類別圍巖設(shè)計出的隧道結(jié)構(gòu)是不安全的。相反，若實際圍巖類別比設(shè)計采用高，則采用的設(shè)計是不經(jīng)濟(jì)的。 隨著NATM的出現(xiàn)，以測試為主的實用設(shè)計法為現(xiàn)場人員所歡迎，因為它能提供直覺的材料，以更準(zhǔn)確地估計地層和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全程度。其中應(yīng)用最多的是收斂約束法，其主要思想是：一邊施工，一邊進(jìn)行洞周圍量測，隨著位移變化情況，來選用合適的隧道支護(hù)參數(shù)，這樣就可以按實際地質(zhì)條件來設(shè)計隧道支護(hù)，避免了工程類比既不安全又不經(jīng)濟(jì)的缺點。收斂約束法將支護(hù)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，通過調(diào)整支護(hù)來控制變形，從而最大限度地發(fā)揮了圍巖自身的承載能力。采用此模型，有些問題可以使用解析法求解，但大部分問題因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法。 理論計算法可用于進(jìn)行無經(jīng)驗可循的新型隧道工程設(shè)計，因此基于作用與反作用模型和連續(xù)介質(zhì)模型的計算理論成為一種特定的計算手段日益為人們重視。由于隧道工程所處環(huán)境的復(fù)雜性，以及各種隧道設(shè)計模型各有優(yōu)缺點，因此工程技術(shù)人員在設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)時，往往需要同時進(jìn)行多種設(shè)計模型的比較，以作出既經(jīng)濟(jì)又安全的合理設(shè)計。 從各國地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前隧道設(shè)計主要采用兩種模型。 第一種模型即為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為載荷的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支撐，故又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。采用這種模型時，認(rèn)為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖餓承載能力則在確定圍巖壓力與彈性支撐的約束能力時間接地考慮。圍巖承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力越小，彈性支撐的約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抗力越大。這種模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動承擔(dān)圍巖“松動”壓力情形。利用這種模型進(jìn)行隧道設(shè)計關(guān)鍵問題是如何確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動荷載，其中最重要的是圍巖松動壓力和彈性支撐作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。一旦解決了這兩個問題，就可以運用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出朝靜定體系的內(nèi)力和位移。因為這種模型概念清晰，計算簡便，便于被工程師接受，所以至今很通用，特別是在模筑襯砌。 屬于這種模型的計算方法有彈性連續(xù)框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環(huán)）法等。當(dāng)軟弱地層對結(jié)構(gòu)變形的約束能力較差時（或襯砌與地層間的空隙回填、灌漿不密實時），隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算常用彈性連續(xù)框架法，反之，采用假定抗力法或彈性地基法。 第二種模型叫現(xiàn)代巖體力學(xué)模型。它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖結(jié)構(gòu)共同作用模型。這種模型中，圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形，這一點剛好與第一種模型相反。這種模型主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理的一種設(shè)計方法，需采用巖石力學(xué)方法進(jìn)行計算。應(yīng)當(dāng)指出，支護(hù)體系不僅是指襯砌與噴層等結(jié)構(gòu)物，而且還包括錨桿、鋼筋及鋼拱架等支護(hù)在內(nèi)。 圍巖結(jié)構(gòu)共同作用模型是目前隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中力求采用的或正在發(fā)展的模型，因為它符合當(dāng)前施工技術(shù)水平，采用快速和超強(qiáng)的支護(hù)技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動壓力的產(chǎn)生。這種模型還可以考慮各種幾何形狀、圍巖特性和支護(hù)材料的非線性特性、開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以及地質(zhì)中不連續(xù)面等。利用此模型進(jìn)行隧道設(shè)計的關(guān)鍵問題是，如何確定圍巖初始應(yīng)力場和表示材料非線性特性的各種參數(shù)及其變化情況。一旦這些問題解決了，原則上任何場合都可用有限單元法求出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移狀態(tài)。 這種模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收斂約束法圖解，絕大部分隧道求解時因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法，借助計算機(jī)來進(jìn)行分析求解。 3.1.2 隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算方法 通常，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計算需要考慮地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，一般都是非線性的二維或三維問題，并且計算還與開挖方法、支護(hù)過程有關(guān)。對于這類復(fù)雜問題，必須采用數(shù)值方法。目前用于隧道開挖、支護(hù)過程的數(shù)值方法有：有限元法、邊界元法、有限元邊界元耦合法。 其中有限元法是一種發(fā)展最快的數(shù)值方法，已經(jīng)成為分析隧道及地下工程圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算的有力工具。有限元法可以考慮巖土介質(zhì)的非均勻性、各向異性、非連續(xù)性以及幾何非線性等，適用于各種實際的邊界條件。但該法需要將整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散化，進(jìn)行相應(yīng)的插值計算，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大，精度相對底。大型通用有限元軟件ANSYS就可用于隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算，還可以實現(xiàn)隧道開挖與支護(hù)以及連續(xù)開挖的模擬。 邊界元法在一定程度上改進(jìn)了有限元法精度，它的基本未知量只在所關(guān)心問題的邊界上，如在隧道計算時，只要對分析對象的邊界作離散處理，而外圍的無限域則視為無邊界。但該法要求分析區(qū)域的幾何、物理必須是連續(xù)的。 有限元邊界元耦合法則使采用兩種方法的長處，從而可取得良好的效果。如計算隧道結(jié)構(gòu)，對主要區(qū)域（隧道周圍區(qū)域）采用 有限元法，對于隧道外部區(qū)域可按均質(zhì)、線彈性模擬，這樣計算出來的結(jié)果精度一般較高。3.1.3 隧道荷載 參照相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范，隧道設(shè)計主要考慮荷載包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載，詳見表3-2。其中最重要的是圍巖的松動壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料重度計算確定。在含水地層中，靜水壓力可按最底水位考慮。在沒有仰拱結(jié)構(gòu)中，車輛荷載直接傳給地層。表3-2 隧道荷載荷載分類荷載名稱說明永久荷載結(jié)構(gòu)自重恒載主要載荷結(jié)構(gòu)附加恒載圍巖壓力土壓力混凝土收縮和徐變的影響可變荷載車輛荷載活載車輛荷載引起的土壓力沖擊力公路活載附加荷載凍脹力灌漿力溫差應(yīng)力施工荷載偶然荷載落石沖擊力附加荷載地震力特殊荷載3.2 隧道施工過程ANSYS模擬的實現(xiàn)3.2.1 單元生死3.2.1.1 單元生死的定義 如果模型中加入或刪除材料，對應(yīng)模型中的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義為單元生死。單元的生死選項就用于在這種情況下殺死或重新激活所選擇單元。單元生死功能主要用于開挖分析（如煤礦開挖和隧道開挖等）、建筑物施工過程（如近海架橋過程）、順序組裝（如分層計算機(jī)的組裝）以及許多其他方面應(yīng)用（如用戶可以根據(jù)已知單元位置來方便地激活或殺死它們）。需要注意的是，ANSYS單元的生死功能只適用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure產(chǎn)品。此外，并非所有ANSYS單元具有生死功能，具有此生死功能的單元見表3-1。表3-1 ANSYS中具有生死功能的單元LINK1BEAM24SHELL57PLANE83SURF152SOLID185PLANE2PLANE25PIPE59SOLID87SURF153SOLID186BEAM3MATRIX27PIPE60SOLID90SURF154SOLID187BEAM4LINK31SOLID62SOLID92SHELL157BEAM188SOLID5LINK32SHELL63SHELL93TARGE169BEAM189LINK8LINK33SOLID64SOLID95TARGE170SOLSH190LINK10LINK34SOLID65SOLID96CONTA171FOLLW201LINK11PLANE35PLANE67SOLID97CONTA172SHELL208PLANE13SHELL41LINK68SOLID98CONTA173SHELL209COMBIN14PLANE42SOLID69PLANE121CONTA174PLANE230PIPE16SHELL43SOLID70SOLID122CONTA175SOLID231PIPE17BEAM44MASS71SOLID123CONTA176SOLID232PIPE18SOLID45PLANE75SHELL131LINK180MASS21BEAM54PLANE78SHELL143PLANE182BEAM23PLANE55PLANE82SURF151PLANE183PIPE20PLANE53PLANE77SHELL132SHELL181 在一些情況下，單元生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS計算所得數(shù)值來決定，如溫度值、應(yīng)力值等?？梢岳肊TABLE命令和ESEL命令來確定選擇單元的相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以改變單元的狀態(tài)（如溶解、固結(jié)、破裂等）。這個特性對因相變引起的模型效應(yīng)（如焊接過程中，結(jié)構(gòu)上的可熔材料的固結(jié)狀態(tài)因焊接從不生效變成生效，從而使模型增加了原不生效部分）、失效面擴(kuò)展以及其他相關(guān)分析的單元變化是很有效的。3.2.1.2 單元生死的原理 要實現(xiàn)單元生死效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)或其他分析特性）矩陣乘以一個很小的因子ESTIF。因子的默認(rèn)值為10E-6，也可以賦予其他數(shù)值。死單元的單元荷載將為0，從而不對荷載向量生效（但任然在單元荷載列表中出現(xiàn)）。同樣，死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱和其他類似參數(shù)也設(shè)置為0。死單元的質(zhì)量和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。一旦單元被殺死，單元應(yīng)變也就設(shè)為0。 同理，當(dāng)單元“出生”，并不是將其添加到模型中去，而是重新激活它們。用戶必須在前處理器PREP7中創(chuàng)建所有單元，包括后面將要被激活的單元。在求解階中不能生成新的單元，要添加“一個單元，必須先殺死它，然后在合適的荷載步中重新激活它。 當(dāng)一個單元被重新激活時，其剛度、質(zhì)量、單元荷載等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒有應(yīng)變記錄，也無熱量存儲。然而，初始應(yīng)變以實參數(shù)形式輸入（如LINK1單元）卻不受單元生死操作的影響。此外，除非打開大變形選項（NLGEOM，ON），一些單元類型將恢復(fù)它們以前的幾何特性（大變形效果有時了用來得到合理的結(jié)果）。如果其承受熱量體荷載，單元在被激活后第一個求解過程中同樣可以有熱應(yīng)變。根據(jù)其當(dāng)前荷載步溫度和參考溫度計算剛被激活單元的熱應(yīng)變。因此，承受熱荷載的剛被激活單元是有應(yīng)力的。 3.2.1.3 單元生死的使用 用戶可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死功能，其在各種分析操作中的基本過程是相同的。這個過程可包括以下3個步驟： 1. 建立模型 在前處理器PREP7中生成所有的單元，包括那些只有在以后荷載步中激活的單元。因為在求解器中不能生成新單元。 2. 施加荷載并求解 在求解器SOLUTION中執(zhí)行下列操作： （1）定義第一個荷載步 在第一個荷載步中，用戶必須選擇分析類型和所有的分析選項?？梢岳妹罨騁UI方法來指定分析類型： 命令方式：ANTYPE GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 對于所有單元生死應(yīng)用，在第一個荷載步中應(yīng)設(shè)置，因為ANSYS程序不能預(yù)知EKILL命令出現(xiàn)在后面的荷載步中?？梢岳妹罨騁UI方法來完成此項設(shè)置： 命令方式：NLGEOM，ON GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis Options 殺死所有要加入到后續(xù)荷載步中的單元，可以利用命令或GUI方法來殺死單元： 命令方式：EKILL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathKill Elements 單元在第一個子步被殺死或激活，然后在整個荷載步中保持這種狀態(tài)。作為默認(rèn)剛度矩陣的縮減因子在一些情況下不能滿足要求，此時可以采用更嚴(yán)格的縮減因子?？梢岳妹罨騁UI方法來完成此操作： 命令方式：ESTIF GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathStiffnessMult 不與任何激活單元相連的節(jié)點將“漂移”，或具有浮動的自由度數(shù)值。在以下情況下，用戶可能要約束不被激活的自由度（D，CP等）以減少要求解的方程數(shù)目，并防止出現(xiàn)錯誤條件。當(dāng)激活具有特定形狀（或溫度）的單元時，約束沒有激活的自由度顯得更為重要。因為在重新激活單元時要刪除這些人工約束，同時要刪除沒有激活自由度的節(jié)點荷載（也就是不與任何激活單元相連的節(jié)點0。同樣，重新激活的自由度上必須施加節(jié)點荷載。 定義第一個荷載步命令輸入示例如下： ！第一個荷載步 TIME， ！設(shè)定荷載步時間（靜態(tài)分析選項） NLGEOM，ON ！打開大變形效果 NROPT，F(xiàn)ULL ！設(shè)定牛頓-拉夫森選項 ESTIF， ！設(shè)定非默認(rèn)縮減因子 ESEL， ！選擇在本荷載步將被殺死的單元 EKILL， ！殺死所選擇的單元 ESEL，S，LIVE ！選擇所有活動單元 NSEL，S ！選擇所有活動節(jié)點 NSEL，INVE ！選擇所有不活動節(jié)點（不與活動單元相連的節(jié)點） D，ALL，ALL，0 ！約束所有不活動節(jié)的自由度 NSEL，ALL ！選擇所有節(jié)點 ESEL，ALL ！選擇所有單元 D， ！施加合適約束 F， ！施加合適的活動節(jié)點自由度荷載 SF， ！施加合適的單元荷載 BF， ！施加合適 的體荷載 SAVE SOLVE （2）定義后續(xù)荷載步 在后續(xù)荷載步中，用戶可以根據(jù)需要隨意殺死或激活單元。但必須要正確地施加和刪除約束和節(jié)點荷載。 用下列命令來殺死單元： 命令方式：EKILL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathKill Elements 用下列命令來激活單元： 命令方式：ELIVEL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathActive Elements !第二步或后續(xù)荷載步 TIME， ESEL， EKILL，. ！殺死所選擇的單元 ESEL，. EALIVE， ！重新激活所選擇單元 . FDELE， ！刪除不活動自由度的節(jié)點荷載 D， !約束不活動自由度 F， ！給活動自由度施加合適的節(jié)點荷載 DDELE， ！刪除重新激活自由度上的約束 SAVE SOLVE 3. 查看結(jié)果 在大多數(shù)情況下，用戶對包含生死單元進(jìn)行后處理分析時因該按照標(biāo)準(zhǔn)步驟來進(jìn)行操作。必須清楚的是，盡管對剛度（傳導(dǎo)等）矩陣的貢獻(xiàn)可以忽略，但殺死的單元仍然在模型中。因此，它們將包括在單元顯示、輸出列表等操作中。例如，由于節(jié)點結(jié)果平均時包含死單元，因此會“污染”結(jié)果。可以忽略整個死單元的輸出，因為很多項帶來的效果很小。建議在單元顯示和其它后處理操作前用選擇功能將死單元選出來。3.2.1.4 單元生死的控制 1. 利用ANSYS結(jié)果控制單元生死 在許多時候，用戶不能清楚知道要殺死和激活單元的確切位置。如，在熱分析中要殺死熔融的單元（即在模型中移去的熔化材料），事先不知道這些單元的位置，這時，用戶就可以根據(jù)ANSYS計算出的溫度來確定這些單元。當(dāng)用戶根據(jù)ANSYS計算結(jié)果（如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變）來決定殺死或激活單元時，用戶可以使用命令來識別并選擇關(guān)鍵單元。 用下列方法識別單元： 命令方式：ETABLE GUI方式：Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table 用下列方法來選擇關(guān)鍵單元： 命令方式：ESEL GUI方式：Utility MenuSelectEntities 接著用戶可以用EKILL/EALIVE命令殺死/激活所選擇的單元。用戶也可以用ANSYS的APDL語言編寫宏來執(zhí)行這些操作。 下面的例子是殺死總應(yīng)變超過允許應(yīng)變的單元： /SOLU ！進(jìn)入求解器. ！標(biāo)準(zhǔn)求解過程SOLVEFINISH/POST1 ！進(jìn)入后處理器SET，.ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！將總應(yīng)變存入ETABLEESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！選擇所有總應(yīng)變大于或等于0.20的單元 FINISH/SOLU ！重新進(jìn)去求解器ANTYPE,REST ！重復(fù)以前的靜態(tài)分析EKILL,ALL ！殺死所選擇（超過允許值）的單元ESEL,ALL ！選擇所有單元. ！繼續(xù)求解3.2.1.5 單元生死使用提示 下列提示有助于用戶更好地利用ANSYS的單元生死功能進(jìn)行分析： （1）不活動自由度上不能施加約束方程（CE，CEINTF）。當(dāng)節(jié)點不與活動單元相連時，不活動自由度就會出現(xiàn)。 （2）可以通過先殺死單元，然后再激活單元來模擬應(yīng)力松弛（如退火）。 （3）在進(jìn)行非線性分析時，注意不要因殺死或激活單元引起奇異性（如結(jié)構(gòu)分析中的尖角）或剛度突變，這樣會使收斂困難。 （4）如果模型是完全線性的，也就是說除了生死單元，模型不存在接觸單元或其它非線性單元且材料是線性的，則ANSYS就采用線性分析，因此不會采用ANSYS默認(rèn)（SOLCONTROL，ON）非線性求解器。 （5）在進(jìn)行包含單元生死的分析中，打開全牛頓-拉夫森選項的自適應(yīng)下降選項將產(chǎn)生很好的效果。用下列方法來完成此操作： 命令方式：NROPT，F(xiàn)ULL，ON GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis Options （6）可以通過一個參數(shù)值來指示單元的生死狀態(tài)。下面命令能得到活單元的相關(guān)參數(shù)值：*GET，PAR，ELEM，n，ATTR，LIVE該參數(shù)值可以用于APDL邏輯分支（*IF）或其它用戶需要控制單元生死狀態(tài)的場合。（7）用荷載步文件求解法（LSWRITE）進(jìn)行多荷載步求解時不能使用生死功能，因為生死單元狀態(tài)不會寫進(jìn)到荷載步文件。多荷載步生死單元分析必須采用一系列SOLVE命令來實現(xiàn)。此外，用戶可以通過MPCHG命令來改變材料特性來殺死或激活單元。但這個過程要特別小心。軟件保護(hù)和限制使得殺死的單元在求解器中改變材料特性時將不生效（單元的集中力、應(yīng)變、質(zhì)量和比熱等都不會自動變?yōu)?）。不當(dāng)?shù)氖褂肕PCHG命令可能會導(dǎo)致許多問題。例如，如果把一個單元的剛度減小到接近0，但仍保留質(zhì)量，則在有加速度或慣性效應(yīng)時就會產(chǎn)生奇異性。MPCHG命令的應(yīng)用之一：模擬系列施工中使“出生”單元的應(yīng)變歷程保持不變。這時用MPCHG命令可以得到單元在變形的節(jié)點構(gòu)造初始應(yīng)變。3.2.2 DP材料模型 巖石、混凝土和土壤等材料都屬于顆粒狀材料，這類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，常用的VonMise屈服準(zhǔn)則不適合此類材料。在土力學(xué)中，常用的屈服準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb，另外一個更準(zhǔn)確描述此類材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則是Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，使用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則的材料簡稱為DP材料。在巖石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可以得到較精確的結(jié)果。在ANSYS程序中，就采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則是對Mohr-Coulomb準(zhǔn)則給予近似，以此來修正VonMise屈服準(zhǔn)則，即在VonMises表達(dá)式中包含一個附加項，該附加項是考慮到靜水壓力可以引起巖土屈服而加入的。其流動準(zhǔn)則既可以使用相關(guān)流動準(zhǔn)則，也可以使用不相關(guān)流動準(zhǔn)則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則，然而其屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力（靜水壓力）的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想塑性。并且，它考慮了由于屈服引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。 圖3-1 Druck-Prager屈服面Druck-Prager屈服面在主應(yīng)力空間內(nèi)為一圓錐形空間曲面，在平面上為圓形，如圖3-1所示。Druck-Prager屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為： (3-1)其中： (3-2) (3-3) 在平面應(yīng)變狀態(tài)下： (3-4) (3-5)當(dāng)時，Druck-Prager屈服準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間內(nèi)切于Mohr-Coulomb屈服面的一個圓錐形空間曲面；當(dāng)時，Druck-Prager屈服準(zhǔn)則退化為VonMise屈服準(zhǔn)則。并且Druck-Prager屈服準(zhǔn)則避免了Mohr-Coulomb屈服面在角棱處引起的奇異點。對于受拉破壞時： (3-6) (3-7)對于受壓破壞時： (3-8) (3-9) DP材料模型含有3個力學(xué)參數(shù)：u 粘聚力Cu 內(nèi)摩擦角u 膨脹角這3個參數(shù)可通過ANSYS中材料數(shù)據(jù)表輸入：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models執(zhí)行完上面操作，彈出一個材料模型對話框，再執(zhí)行：Material Models AvailableStrunturerNonlinearInelasticNon-metal PlasticityDrucker-Prager接著在出現(xiàn)的對話框輸入這3個參數(shù)便可。膨脹角用來控制體積膨脹的大小：當(dāng)膨脹角=0時，則不會發(fā)生膨脹；當(dāng)膨脹角=時，則發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。DP材料受壓屈服強(qiáng)度大于受拉屈服強(qiáng)度，如果已知單軸受拉屈服應(yīng)力和單軸受壓屈服應(yīng)力，則可以得到內(nèi)摩擦角和粘聚力： (3-10) (3-11) 其中，和由受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)力計算得到： (3-12) (3-13)3.2.3 初始地應(yīng)力的模擬 在模擬隧道施工過程中，初始地應(yīng)力模擬是很重要的。在ANSYS中，可以有兩種方法實現(xiàn)初始地應(yīng)力的模擬。 方法一是只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應(yīng)力場。這種方法簡單方便，只需給出巖體的各項參數(shù)即可計算。缺點是計算出來的應(yīng)力場與實際應(yīng)力場有偏差，并且?guī)r體在自重作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析的后續(xù)施工時，得到的位移結(jié)果是累加了初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實中初始位移早就結(jié)束，對隧道的開挖沒有影響，因此在后面的每個施工階段分析位移場時，必須減去初始位移場。 方法二是采用讀起初始應(yīng)力文件的方法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，ANSYS中可以使用讀入初始應(yīng)力文件來把初始應(yīng)力定義為一種荷載。因此，當(dāng)具有實測初始地應(yīng)力資料時，可將初始地應(yīng)力寫成初始營利荷載文件，然后作為荷載條件讀入ANSYS，隨后就可以直接進(jìn)行第一步的開挖計算。計算得到的應(yīng)力場和位移場就是開挖后的實際應(yīng)力場和位移場，不需要進(jìn)行加減。3.2.4 開挖與支護(hù)及連續(xù)施工的實現(xiàn) 根據(jù)3.2.1所介紹單元生死可以實現(xiàn)材料的消除與添加，而隧道的開挖與支護(hù)正好比材料的消除與支護(hù)，因此可以在ANSYS中用單元生死來實現(xiàn)隧道開挖與支護(hù)的模擬。隧道開挖時，先直接選擇被開挖掉的單元，然后將這些單元殺死，從而實現(xiàn)隧道的開挖模擬。進(jìn)行隧道支護(hù)時，先將相應(yīng)支護(hù)部分在開挖時被殺死的單元激活，單元被激活后，具有零應(yīng)變狀態(tài)，并且把這些單元的材料屬性改為支護(hù)材料的屬性，這樣就實現(xiàn)了隧道支護(hù)的模擬。 此外，單元的生死狀態(tài)還可以根據(jù)ANSYS的計算結(jié)果（如應(yīng)力或應(yīng)變）來決定。例如，在模擬過程中，用戶可以將超過允許應(yīng)力或允許應(yīng)變的單元殺死，模擬圍巖或結(jié)構(gòu)的破壞。 利用ANSYS程序中的荷載步功能可以實現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計算，從而實現(xiàn)對隧道連續(xù)施工的模擬。具體可參照3.2.1.3單元生死使用。首先建立開挖隧道的有限元模型，包括將來要被殺死（挖掉）和激活（支護(hù)）的部分，在ANSYS模擬工程不需要重新劃分網(wǎng)格。在前一個施工完成后，便可以直接進(jìn)行下一道工序的施工，即再殺死單元（開挖）和激活單元（支護(hù)），再求解，重復(fù)步驟直至施工結(jié)束。3.3 ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實例分析3.3.1 ANSTS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟 為了保證隧道施工和運行時間的安全性，必須對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于隧道結(jié)構(gòu)是在地層中修建的，其工程特性、設(shè)計原則及方法與地面結(jié)構(gòu)是不同的，隧道結(jié)構(gòu)的變形受到周圍巖土體本身的約束，從某種意義上講，圍巖也是地下結(jié)構(gòu)的荷載，同時也是結(jié)構(gòu)本身的一部分，因此不能完全采用地面結(jié)構(gòu)受力分析方法來對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。當(dāng)前，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系一般按照荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行演算，按照此模型設(shè)計的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。再借助有限元軟件（如ANSYS）實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的受力分析。ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟：1荷載結(jié)構(gòu)模型的建立2創(chuàng)建物理環(huán)境3建立模型和劃分網(wǎng)格4施加約束和荷載5求解6后處理（對結(jié)果進(jìn)行分析）3.3.1.1 荷載結(jié)構(gòu)模型的建立 本步驟不在ANSYS中進(jìn)行，但該步驟是進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析前提。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)行驗算。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的。 本步驟主要包含2項內(nèi)容：u 選擇荷載結(jié)構(gòu)模型u 計算荷載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，其計算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。此模型主要適用于軟弱圍巖沒有能力去約束襯砌變形情況，如采用明挖法施工的城市地鐵工程及明洞工程。（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。因為在非均勻分布的主動荷載作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就會對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力來約束它的變形，這種反作用力稱為彈性抗力。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)”。這種模型適用于各種類型的圍巖，只是所產(chǎn)生的彈性抗力不同而已。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，并且在實際使用中，它基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實際受力狀況。（3）實際荷載模型這種模型采用量測儀器實地量測到的作用在襯砌上的荷載值代替主動荷載模型中的主動荷載。實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。切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而改善結(jié)構(gòu)的受力情況。但要注意的是，實際量測的荷載值，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。2計算荷載目前隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用主動荷載加被動荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動荷載和被動荷載，可見表2-2。進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析時，一般要進(jìn)行計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)計規(guī)范進(jìn)行計算。對于鐵路隧道，可以根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算。 （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)尺寸和材料容重計算確定。（3）地下水壓力在含水地層中，靜水壓力可按照最低水位考慮。（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。該理論認(rèn)為圍巖彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比，用公式表示為： (3-14)式中： 圍巖表面上任意一點的壓縮變形，單位m；u 圍巖在同一點的所產(chǎn)生的彈性抗力，單位Mpa；u 圍巖彈性抗力系數(shù)，單位Mpa/m。u 對于列車荷載、地震力等其它荷載，一般情況可以忽略不計算。3.3.1.2 創(chuàng)建物理環(huán)境在定義隧道結(jié)構(gòu)受力分析問題的物理環(huán)境時，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個隧道結(jié)構(gòu)體的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、 設(shè)置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運行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，彈出一個如圖3-2所示的對話框出現(xiàn)后，選擇Structural。這樣ANSYS會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進(jìn)行過濾，選擇Structural以便在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。2、 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。用下列方法定義分析標(biāo)題。命令：TITLEGUI：Utility MenuFileChange Title3、 說明單元類型及其選項（KEYOPT選項）與ANSYS的其他分析一樣，也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。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，這兩個單元組合起來就可以模擬隧道結(jié)構(gòu)。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項（KEYOPTS），這些選項用以修正單元特性。例如，梁單元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I與J之間點結(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1-D自由度KEYOPT(3) 設(shè)置2-D或3-D自由度設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete圖 3-2 GUI圖形界面過濾4、設(shè)置實常數(shù)和定義單位單元實常數(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。在隧道結(jié)構(gòu)受力分析中，你可用實常數(shù)來定義襯砌梁單元的橫截面積、慣性矩和高度以及圍巖彈性抗力系數(shù)等。當(dāng)定義實常數(shù)時，要遵守如下二個規(guī)則： 必須按次序輸入實常數(shù)。 對于多單元類型模型，每種單元采用獨立的實常數(shù)組（即不同的REAL參考號）。但是，一個單元類型也可注明幾個實常數(shù)組。命令：RGUI：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/DeleteANSYS軟件沒有為系統(tǒng)指定單位，分析時只需按照統(tǒng)一的單位制進(jìn)行定義材料屬性、幾何尺寸、載荷大小等輸入數(shù)據(jù)即可。結(jié)構(gòu)分析只有時間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個單位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（m），質(zhì)量是千克（kg），則導(dǎo)出力的單位是kgm/s2（相當(dāng)于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（相當(dāng)于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時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。ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種：（1）線性或非線性。（2）各向同性、正交異性或非彈性。（3）隨溫度變化或不隨溫度變化。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。命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherChange Mat PropsMaterial Models3.3.1.3 建立模型和劃分網(wǎng)格 創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時，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。在建立好的模型各個區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項、實常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：1、選擇MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas2、點擊模型中要選定的區(qū)域。3、在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標(biāo)系號。4、重復(fù)以上三個步驟，直至處理完所有區(qū)域。通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL（