第3章 ANSYS隧道工程中的應用實例分析.doc

第3章 ANSYS隧道工程中的應用實例分析第3章 ANSYS隧道工程中的應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隧道結構實例分析 ANSYS隧道開挖模擬實例分析本章典型效果圖3.1 隧道工程相關概念3.1.1 隧道工程設計模型 為達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結構，稱之為“襯砌”。隧道工程建筑物是埋于地層中的結構物，它的受力和變形與圍巖密切相關，支護結構與圍巖作為一個統(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)的各種力學現(xiàn)象和過程，是地下工程長期處于“經(jīng)驗設計”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。地下工程的設計理論和方法經(jīng)歷了一個相當長的發(fā)展過程。在20世紀20年代以前，地下工程支護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行施工。此時，只是將襯砌作為受力結構，圍巖是看作載荷作用在襯砌結構上，這種設計理論過于保守，設計出的襯砌厚度偏大。20世紀50年代以來，巖石力學開始成為一門獨立的學科，圍巖彈性、彈塑性和粘彈性解答逐步出現(xiàn)。土力學的發(fā)展促使松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展，而巖石力學的發(fā)展則促使圍巖壓力和地下工程支護結構理論的進一步的飛躍。同時，錨桿和噴射混凝土的作為初期支護得到廣泛應用。這種柔性支護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。國際隧道學會認為，目前采用的隧道設計模型主要有以下幾種：u 以工程類比為主的經(jīng)驗設計方法。u 以現(xiàn)場測試和實驗室試驗為主的實用設計方法（如現(xiàn)場和實驗室的巖土力學試驗、以洞周圍測量值為基礎的收斂約束法以及實驗室模型試驗等）。u 作用反作用設計模型，即目前隧道設計常用的載荷結構模型，包括彈性地基梁、彈性地基圓環(huán)等。u 連續(xù)介質模型，包括解析法（封閉解和近似解）和數(shù)值法（以FEM為主）。國際隧道學會于1978年成立了隧道結構設計模型研究小組，收集和匯總了各會員國目前采用的隧道工程設計模型，詳見表3-1。表3-1 隧道工程設計模型國家盾構法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：FEM、收斂 約束法 二次支護：彈性地基圓環(huán)初期支護：經(jīng)驗法 二次支護：作用與發(fā)作用法大型洞室：FEM結構力學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：Proctor-White法二次支護：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法初期支護：Proctor-White法二次支護：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法結構力學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法鋼架結構 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。由于隧道結構設計受到各種復雜因素的影響，因此在世界各國隧道設計中，主要采用以工程類比為主的經(jīng)驗設計法，特別是在支護結構預設計中應用最多。即使內力分析采用比較嚴格的理論，其計算結果往往也需要用經(jīng)驗類比加以判斷和補充。如常見公路或鐵路隧道，都是選取以工程類比為主的經(jīng)驗設計法來進行結構參數(shù)的擬定，可見公路或鐵路隧道設計規(guī)范。但是，采用此法設計的隧道結構是不安全的和不經(jīng)濟的。因為設計的隧道的地質勘探不可能做到對每一段都進行鉆探，因而會出現(xiàn)地質條件錯誤判斷現(xiàn)象，有可能實際圍巖類別比設計采用的要低，這樣按高類別圍巖設計出的隧道結構是不安全的。相反，若實際圍巖類別比設計采用高，則采用的設計是不經(jīng)濟的。 隨著NATM的出現(xiàn)，以測試為主的實用設計法為現(xiàn)場人員所歡迎，因為它能提供直覺的材料，以更準確地估計地層和地下結構的穩(wěn)定性和安全程度。其中應用最多的是收斂約束法，其主要思想是：一邊施工，一邊進行洞周圍量測，隨著位移變化情況，來選用合適的隧道支護參數(shù)，這樣就可以按實際地質條件來設計隧道支護，避免了工程類比既不安全又不經(jīng)濟的缺點。收斂約束法將支護和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，通過調整支護來控制變形，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)學上的困難必須依賴數(shù)值方法。 理論計算法可用于進行無經(jīng)驗可循的新型隧道工程設計，因此基于作用與反作用模型和連續(xù)介質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)境的復雜性，以及各種隧道設計模型各有優(yōu)缺點，因此工程技術人員在設計隧道結構時，往往需要同時進行多種設計模型的比較，以作出既經(jīng)濟又安全的合理設計。 從各國地下結構設計實踐看，目前隧道設計主要采用兩種模型。 第一種模型即為傳統(tǒng)的結構力學模型。它是將支護結構和圍巖分開來考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為載荷的來源和支護結構的彈性支撐，故又稱為荷載結構模型。采用這種模型時，認為隧道支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對結構施加約束來體現(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，它給予支護結構的壓力越小，彈性支撐的約束支護結構變形的抗力越大。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，支護結構主動承擔圍巖“松動”壓力情形。利用這種模型進行隧道設計關鍵問題是如何確定作用在支護結構上的主動荷載，其中最重要的是圍巖松動壓力和彈性支撐作用于支護結構的彈性抗力。一旦解決了這兩個問題，就可以運用結構力學方法求出朝靜定體系的內力和位移。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。當軟弱地層對結構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），隧道結構內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)代巖體力學模型。它將支護結構和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，故又稱為圍巖結構共同作用模型。這種模型中，圍巖是直接的承載單元，支護結構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結構與圍巖共同作用而求得，這是反映當前現(xiàn)代支護結構原理的一種設計方法，需采用巖石力學方法進行計算。應當指出，支護體系不僅是指襯砌與噴層等結構物，而且還包括錨桿、鋼筋及鋼拱架等支護在內。 圍巖結構共同作用模型是目前隧道結構體系設計中力求采用的或正在發(fā)展的模型，因為它符合當前施工技術水平，采用快速和超強的支護技術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、圍巖特性和支護材料的非線性特性、開挖面空間效應所形成的三維狀態(tài)以及地質中不連續(xù)面等。利用此模型進行隧道設計的關鍵問題是，如何確定圍巖初始應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結構的應力及位移狀態(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)學上的困難必須依賴數(shù)值方法，借助計算機來進行分析求解。 3.1.2 隧道結構的數(shù)值計算方法 通常，隧道支護結構計算需要考慮地層和支護結構的共同作用，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、支護過程有關。對于這類復雜問題，必須采用數(shù)值方法。目前用于隧道開挖、支護過程的數(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)定和支護結構強度計算的有力工具。有限元法可以考慮巖土介質的非均勻性、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構系統(tǒng)離散化，進行相應的插值計算，導致數(shù)據(jù)量大，精度相對底。大型通用有限元軟件ANSYS就可用于隧道結構的數(shù)值計算，還可以實現(xiàn)隧道開挖與支護以及連續(xù)開挖的模擬。 邊界元法在一定程度上改進了有限元法精度，它的基本未知量只在所關心問題的邊界上，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。如計算隧道結構，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、線彈性模擬，這樣計算出來的結果精度一般較高。3.1.3 隧道荷載 參照相關隧道設計規(guī)范，隧道設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，支護結構的自重可按預先擬定的結構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。在沒有仰拱結構中，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構自重恒載主要載荷結構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（如分層計算機的組裝）以及許多其他方面應用（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、應力值等?？梢岳肊TABLE命令和ESEL命令來確定選擇單元的相關數(shù)據(jù)，也可以改變單元的狀態(tài)（如溶解、固結、破裂等）。這個特性對因相變引起的模型效應（如焊接過程中，結構上的可熔材料的固結狀態(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）、失效面擴展以及其他相關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（或傳導或其他分析特性）矩陣乘以一個很小的因子ESTIF。因子的默認值為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，死單元的質量、阻尼、比熱和其他類似參數(shù)也設置為0。死單元的質量和能量將不包括在模型求解結果中。一旦單元被殺死，單元應變也就設為0。 同理，當單元“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。 當一個單元被重新激活時，其剛度、質量、單元荷載等將恢復其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒有應變記錄，也無熱量存儲。然而，初始應變以實參數(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變。根據(jù)其當前荷載步溫度和參考溫度計算剛被激活單元的熱應變。因此，承受熱荷載的剛被激活單元是有應力的。 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。可以利用命令或GUI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用，在第一個荷載步中應設置，因為ANSYS程序不能預知EKILL命令出現(xiàn)在后面的荷載步中。可以利用命令或GUI方法來完成此項設置： 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，此時可以采用更嚴格的縮減因子。可以利用命令或GUI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 ！設定牛頓-拉夫森選項 ESTIF， ！設定非默認縮減因子 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. 查看結果 在大多數(shù)情況下，用戶對包含生死單元進行后處理分析時因該按照標準步驟來進行操作。必須清楚的是，盡管對剛度（傳導等）矩陣的貢獻可以忽略，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)點結果平均時包含死單元，因此會“污染”結果。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。當用戶根據(jù)ANSYS計算結果（如溫度、應力、應變）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變超過允許應變的單元： /SOLU ！進入求解器. ！標準求解過程SOLVEFINISH/POST1 ！進入后處理器SET，.ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！將總應變存入ETABLEESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！選擇所有總應變大于或等于0.20的單元 FINISH/SOLU ！重新進去求解器ANTYPE,REST ！重復以前的靜態(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的單元生死功能進行分析： （1）不活動自由度上不能施加約束方程（CE，CEINTF）。當節(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力松弛（如退火）。 （3）在進行非線性分析時，注意不要因殺死或激活單元引起奇異性（如結構分析中的尖角）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（SOLCONTROL，ON）非線性求解器。 （5）在進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、應變、質量和比熱等都不會自動變?yōu)?）。不當?shù)氖褂肕PCHG命令可能會導致許多問題。例如，如果把一個單元的剛度減小到接近0，但仍保留質量，則在有加速度或慣性效應時就會產(chǎn)生奇異性。MPCHG命令的應用之一：模擬系列施工中使“出生”單元的應變歷程保持不變。這時用MPCHG命令可以得到單元在變形的節(jié)點構造初始應變。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度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，常用的VonMise屈服準則不適合此類材料。在土力學中，常用的屈服準則有Mohr-Coulomb，另外一個更準確描述此類材料的強度準則是Druck-Prager屈服準則，使用Druck-Prager屈服準則的材料簡稱為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果。在ANSYS程序中，就采用Druck-Prager屈服準則，此屈服準則是對Mohr-Coulomb準則給予近似，以此來修正VonMise屈服準則，即在VonMises表達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。其流動準則既可以使用相關流動準則，也可以使用不相關流動準則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強化準則，然而其屈服強度隨著側限壓力（靜水壓力）的增加而相應增加，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屈服面在主應力空間內為一圓錐形空間曲面，在平面上為圓形，如圖3-1所示。Druck-Prager屈服準則表達式為： (3-1)其中： (3-2) (3-3) 在平面應變狀態(tài)下： (3-4) (3-5)當時，Druck-Prager屈服準則在主應力空間內切于Mohr-Coulomb屈服面的一個圓錐形空間曲面；當時，Druck-Prager屈服準則退化為VonMise屈服準則。并且Druck-Prager屈服準則避免了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個力學參數(shù)：u 粘聚力Cu 內摩擦角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?。寒斉蛎浗?0時，則不會發(fā)生膨脹；當膨脹角=時，則發(fā)生嚴重的體積膨脹。DP材料受壓屈服強度大于受拉屈服強度，如果已知單軸受拉屈服應力和單軸受壓屈服應力，則可以得到內摩擦角和粘聚力： (3-10) (3-11) 其中，和由受壓屈服應力和受拉屈服應力計算得到： (3-12) (3-13)3.2.3 初始地應力的模擬 在模擬隧道施工過程中，初始地應力模擬是很重要的。在ANSYS中，可以有兩種方法實現(xiàn)初始地應力的模擬。 方法一是只考慮巖體的自重應力，忽略其構造應力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應力場。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力場與實際應力場有偏差，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，得到的位移結果是累加了初始位移的結果，而現(xiàn)實中初始位移早就結束，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力文件的方法。在進行結構分析時，ANSYS中可以使用讀入初始應力文件來把初始應力定義為一種荷載。因此，當具有實測初始地應力資料時，可將初始地應力寫成初始營利荷載文件，然后作為荷載條件讀入ANSYS，隨后就可以直接進行第一步的開挖計算。計算得到的應力場和位移場就是開挖后的實際應力場和位移場，不需要進行加減。3.2.4 開挖與支護及連續(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正好比材料的消除與支護，因此可以在ANSYS中用單元生死來實現(xiàn)隧道開挖與支護的模擬。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。進行隧道支護時，先將相應支護部分在開挖時被殺死的單元激活，單元被激活后，具有零應變狀態(tài)，并且把這些單元的材料屬性改為支護材料的屬性，這樣就實現(xiàn)了隧道支護的模擬。 此外，單元的生死狀態(tài)還可以根據(jù)ANSYS的計算結果（如應力或應變）來決定。例如，在模擬過程中，用戶可以將超過允許應力或允許應變的單元殺死，模擬圍巖或結構的破壞。 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）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，便可以直接進行下一道工序的施工，即再殺死單元（開挖）和激活單元（支護），再求解，重復步驟直至施工結束。3.3 ANSYS隧道結構受力實例分析3.3.1 ANSTS隧道結構受力分析步驟 為了保證隧道施工和運行時間的安全性，必須對隧道結構進行受力分析。由于隧道結構是在地層中修建的，其工程特性、設計原則及方法與地面結構是不同的，隧道結構的變形受到周圍巖土體本身的約束，從某種意義上講，圍巖也是地下結構的荷載，同時也是結構本身的一部分，因此不能完全采用地面結構受力分析方法來對隧道結構進行分析。當前，對隧道支護結構體系一般按照荷載結構模型進行演算，按照此模型設計的隧道支護結構偏于保守。再借助有限元軟件（如ANSYS）實現(xiàn)對隧道結構的受力分析。ANSYS隧道結構受力分析步驟：1荷載結構模型的建立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（對結果進行分析）3.3.1.1 荷載結構模型的建立 本步驟不在ANSYS中進行，但該步驟是進行ANSYS隧道結構受力分析前提。只要在施工過程中不能使支護結構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，隧道的支護結構就應該按荷載結構模型進行驗算。隧道支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對支護結構施加約束來體現(xiàn)的。 本步驟主要包含2項內容：u 選擇荷載結構模型u 計算荷載1選擇荷載結構模型荷載結構模型雖然都是以承受巖體松動、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側向主動壓力為主要特征，但對圍巖與支護結構相互作用的處理上，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結構的相互作用，因此，支護結構在主動荷載作用下可以自由變形，其計算原理和地面結構一樣。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）模型此模型認為圍巖不僅對支護結構施加主動荷載，而且由于圍巖與支護結構的相互作用，還會對支護結構施加約束反力。因為在非均勻分布的主動荷載作用下，支護結構的一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就會對支護結構產(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。而支護結構的另一部分則背離圍巖向著隧道內變形，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結構的實際受力狀況。（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，是圍巖與支護結構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，從而改善結構的受力情況。但要注意的是，實際量測的荷載值，除與圍巖特性有關外，還取決與支護結構剛度及支護結構背后回填的質量。2計算荷載目前隧道結構設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。進行ANSYS隧道結構受力分析時，一般要進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)相關隧道設計規(guī)范進行計算。對于鐵路隧道，可以根據(jù)鐵路隧道設計規(guī)范進行計算。 （2）支護結構自重 支護結構自重可按預先擬定的結構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的局部變形理論來確定。該理論認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)境在定義隧道結構受力分析問題的物理環(huán)境時，進入ANSYS前處理器，建立這個隧道結構體的數(shù)學仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、 設置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運行ANSYS，當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圖形界面進行過濾，選擇Structural以便在進行隧道結構受力分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應圖形界面。2、 定義分析標題（TITLE）在進行分析前，可以給你所要進行的分析起一個能夠代表所分析內容的標題，比如“Tunnel Support Structural Analysis”，以便能夠從標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，也要進行相應的單元選擇。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構和材料，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構的相互作用性，這兩個單元組合起來就可以模擬隧道結構。大多數(shù)單元類型都有關鍵選項（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) 力和力矩輸出設置KEYOPT(9) 設置輸出節(jié)點I與J之間點結果KEYOPT(10) 設置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) 設置解類型KEYOPT(2) 設置1-D自由度KEYOPT(3) 設置2-D或3-D自由度設置單元以及其關鍵選項的方式如下：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，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相應GUI菜單路徑來說明。在隧道結構受力分析中，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。結構分析只有時間單位、長度單位和質量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應當是這三個單位組成的表達方式。如標準國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（m），質量是千克（kg），則導出力的單位是kgm/s2（相當于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（相當于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進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，如結構材料屬性參數(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。隧道結構受力分析中需要定義隧道混凝土襯砌支護的材料屬性：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。在進行隧道結構受力分析時，需要建立模擬隧道襯砌結構的梁單元和模擬隧道結構與圍巖間相互作用的彈簧單元。在建立好的模型各個區(qū)域內指定特性（單元類型、選項、實常數(shù)和材料性質等）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系號。4、重復以上三個步驟，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（