基于ANSYS的隧道二襯內(nèi)力計(jì)算

1、基于基于ANSYS的隧道二襯內(nèi)力計(jì)算的隧道二襯內(nèi)力計(jì)算圍巖壓力圍巖壓力計(jì)算計(jì)算 基本概念n 地下洞室圍巖在二次應(yīng)力作用下產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱(chēng)為圍巖壓力。n 圍巖壓力是圍巖與支護(hù)間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。n 按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為變形圍巖壓力、松動(dòng)圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。圍巖位移曲線支護(hù)特性曲線圍巖松動(dòng)壓力曲線松動(dòng)壓力支護(hù)特性曲線這里，我們計(jì)算松動(dòng)圍巖壓力來(lái)作用于二襯。這里，我們計(jì)算松動(dòng)圍巖壓力來(lái)作用于二襯。深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力計(jì)算 在隧道

2、工程中，計(jì)算其上作用荷載的方法與其他的結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用的方法不同，通常不能通過(guò)公式準(zhǔn)確計(jì)算得出，在很大程度上需依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算方法為現(xiàn)象模擬方法。 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算，豎向均布作用為 式中 S 圍巖級(jí)別 圍巖重度 寬度影響系數(shù)，其值為：=1+i（B-5） B 坑道寬度 i 此處取i=0.1。 注：此公式規(guī)定應(yīng)用條件限制在采用在鉆爆法施工的深埋隧道，且H/B1.7的范圍內(nèi)（H為坑道的高度，B為坑道寬度）。 水平均布?jí)毫θ缦卤恚?表表4-2 4-2 圍巖水平均布作用壓力圍巖水平均布作用壓力淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算 當(dāng)隧道埋深h大于等效荷載高度時(shí)，隨著隧道埋置深度增加，上覆巖體逐漸增厚，

3、滑面的阻力也隨之增大。因此，在計(jì)算圍巖壓力時(shí)，必須考慮滑面上阻力的影響。 i) 求破裂面傾角： 式中 頂板土體兩側(cè)摩擦角； 圍巖的摩擦角。 ii) 求側(cè)壓力系數(shù)： iii)求圍巖垂直均布松動(dòng)壓力q： 式中 B 坑道跨度； h 洞頂巖體覆蓋層厚度； 圍巖重度。 iv) 求圍巖水平均布松動(dòng)壓力： 水平壓力按梯形分布，則作用在隧道頂部和底部的水平壓力可直接寫(xiě)為： 式中 H 地面到洞底巖體高度。二次襯砌支護(hù)承載比例二次襯砌支護(hù)承載比例 2010年，我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定雙車(chē)道及三車(chē)道分離式公路隧道，利用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算時(shí)，初期支護(hù)與二次襯砌的支護(hù)承載比例可參考下表的規(guī)定。 取級(jí)深埋圍巖壓力進(jìn)行二襯內(nèi)力

4、計(jì)算： q=70.416 （kPa） e=0.15q=10.5624 （kPa） 按規(guī)定這里取30%的二襯承載比例，則 q=70.416 0.3=21.1248 （kPa） e=10.5624 0.3=3.1687 （kPa） 只考慮圍巖壓力及結(jié)構(gòu)自重，采用全周彈簧模型。級(jí)圍巖襯砌采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚35cm，容重23 ，彈性模量29.5GPa，泊松比0.2.。級(jí)圍巖，取彈性抗力系數(shù)為K=800MPa/m。深埋荷載分布圖深埋荷載分布圖二襯內(nèi)力計(jì)算二襯內(nèi)力計(jì)算 一、一、AutoCAD中中操作操作 1、首先在、首先在CAD中將襯砌輪廓圖畫(huà)好中將襯砌輪廓圖畫(huà)好 2、運(yùn)用boundary 命令

5、，對(duì)象類(lèi)型選擇面域，并選擇拾取點(diǎn)，點(diǎn)擊區(qū)域，使它變成面域，然后回車(chē)?；蛑苯狱c(diǎn)擊繪圖面域，創(chuàng)建面域。 3、選擇文件菜單，將文件輸出成SAT文件類(lèi)型并進(jìn)行保存。 ANSYS中操作中操作 1、打開(kāi)ansys軟件 在ansys 軟件中將保存的sat文件打開(kāi)，過(guò)程如圖。 2、sat文件在ansys中的顯示，選擇front view 平面圖。3、選擇重新設(shè)置4、顯示面域 plot areas5、刪除面域。Deleteareas only 選擇pick all，點(diǎn)擊ok。6、然后重新顯示線plot lines 因級(jí)圍巖段無(wú)仰拱，故需刪除下面橫線。 7、Deletelines only 選擇線 ，點(diǎn)擊ok。

6、8、創(chuàng)建工作標(biāo)題。 執(zhí)行Filechang Title命令，輸入標(biāo)題。 9、選擇學(xué)科范圍。 Main MenuPreferencesStructural，點(diǎn)擊OK。 10、定義單元類(lèi)型 MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/ Edit/DeleteAdd，為拱形襯砌結(jié)構(gòu)定義Beam3的梁?jiǎn)卧?lèi)型。定義Beam3單元對(duì)話框單元類(lèi)型對(duì)話框11、定義截面。執(zhí)行Main MenuPreprocessorSectionsbeamCommon Sections命令，依次輸入截面號(hào)ID為1，截面形狀Sub-Type為矩形，平移截面節(jié)點(diǎn)的位置Offset To到Centroid

7、（質(zhì)心），截面寬度1m，高度為0.35m，則截面1定義完成。12、定義實(shí)常數(shù)執(zhí)行Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/DeleteAdd命令，選中Type 1 BEAM3，點(diǎn)擊OK，面積AREAbh，慣性矩IZZ=bh3/12，高HEIGHT=h, 點(diǎn)擊OK；13、定義材料屬性：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，在對(duì)話框中選擇Structural Linear ElasticIsotropic，輸入彈性模量EX=29.5e9，泊松比PRXY=0.2,單擊OK。再選擇Str

8、ucturalDensity，輸入密度DENS=2300。14單元網(wǎng)格劃分： 執(zhí)行Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool命令，在Element Attributes欄選擇Lines，單擊右邊Set按鈕，選中L1后單擊OK，彈出為線分配單元屬性對(duì)話框，為L(zhǎng)1選取1號(hào)材料、1號(hào)實(shí)常數(shù)、1號(hào)單元和1號(hào)截面。單擊OK回到MeshTool對(duì)話框。 單擊Size Controls欄下Lines右邊的Set，為線的網(wǎng)格劃分設(shè)置單元尺寸控制參數(shù)。選中L1單擊OK，在NDIV欄輸入40，即一條線劃分為40個(gè)單元。單擊OK，回到MeshTool對(duì)話框。單擊Mesh，選中L1，單

9、擊OK,網(wǎng)格劃分完畢。15、查看單元 執(zhí)行PlotCtrlsNumbering命令，如圖單擊ok，執(zhí)行plotElements命令，得單元和各自單元號(hào)。 16、查看節(jié)點(diǎn) 執(zhí)行PlotCtrlsNumbering命令 點(diǎn)擊OK，得到節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖。將劃分網(wǎng)格后文件存盤(pán)，F(xiàn)ileSave as命令，保存為 db格式。 17、計(jì)算主動(dòng)壓力產(chǎn)生的等效節(jié)點(diǎn)荷載： 執(zhí)行Utility MenuList Node命令，在對(duì)話框中選擇Coordinates only，查詢節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并另存為文本。 通過(guò)Excel工作表將各等效節(jié)點(diǎn)荷載整理為命令流。小技巧：把荷載命令列、節(jié)點(diǎn)號(hào)列、荷載屬性列、荷載大小列現(xiàn)在Excel

10、里編好，再另存為CSV類(lèi)型，出現(xiàn)對(duì)話框都確定。然后用記事本打開(kāi)。 18、施加等效節(jié)點(diǎn)荷載 將命令流粘貼到ANSYS輸入窗口中，回車(chē)。單擊SAVE-DB存盤(pán)。 19、施加徑向彈簧 1）建立柱坐標(biāo)系作為局部坐標(biāo)系 執(zhí)行Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt Specified Loc命令，選中圓心，單擊OK，在KCN欄輸入編號(hào)11（大于10）；在KCS欄選擇柱坐標(biāo)系代碼1，ok。 2）激活局部坐標(biāo)系 Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toSpecified Coord Sy

11、s命令，輸入編號(hào)11. 同理整理好彈簧命令流。 其中，local表示定義局部坐標(biāo)系命令；11為局部坐標(biāo)系編號(hào)；1代表柱坐標(biāo)系；1237.05和440.1表示設(shè)置柱坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)；cysy，11表激活局部坐標(biāo)系11；psprng表示建立彈簧命令；1表節(jié)點(diǎn)編號(hào)；tran表施加徑向彈簧；400000000表示彈簧彈性系數(shù)；1表示彈簧在沿柱坐標(biāo)系x方向有一個(gè)單位的長(zhǎng)度。 將彈簧命令流輸入ansys中，得下圖。 20、施加約束條件 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacement on Nodes，彈出在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，用鼠標(biāo)選

12、取節(jié)點(diǎn)1和2，單擊“OK”按鈕，彈出“Apply U,ROT on Nodes”對(duì)話框，21、施加重力加速度：Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravity，彈出“Apply(Gravitational)Acceleration”對(duì)話框，如圖所示。只需在“Global Cartesian Y-comp”欄后面輸入重力加速度值“9.8”就可以，單擊“OK”按鈕，就完成了重力加速度的施加22、求解運(yùn)算：執(zhí)行Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Anakysis命令，設(shè)置Static分析類(lèi)型。執(zhí)行Mai

13、n MenuSolutionSolveCurrent LS，彈出一個(gè)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框，檢查信息無(wú)錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開(kāi)始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。后處理 執(zhí)行Main MenuGeneral PostprocRead ResultsLast Set命令，讀取計(jì)算結(jié)果。 查看隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖：Main Menu General PostprocPlot ResultsDeformed shape，彈出一個(gè)“Plot Deformed Shape”的對(duì)話框，選中“Def+undeformed”并單擊“OK”，出現(xiàn)

14、隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖。執(zhí)行Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table,定義結(jié)果顯示列表， 再執(zhí)行Main MenuGeneral PostprocElement TableList Elem Table,選擇NI，得各單元軸力。（正值受拉，負(fù)值受壓）除去受拉彈簧，則得到49-72號(hào)彈簧受拉，需去除。執(zhí)行Main MenuPreprocessorModelingDeleteElements，彈出一個(gè)刪除單元選取對(duì)話框（分批多次去除），執(zhí)行MainMenuPreprocessorModelingDeleteNodes，彈出一個(gè)刪除節(jié)點(diǎn)選取對(duì)話框，去除彈簧節(jié)點(diǎn)。再重新計(jì)算。 按照此方法，經(jīng)多次試算，保證彈簧全部處受壓狀態(tài)。確定抗力分布范圍，最終計(jì)算模型。最終計(jì)算結(jié)果顯示：執(zhí)行Utility MenuSelectEntities命令最終計(jì)算結(jié)果顯示：執(zhí)行UtilityMenuSelect E