西南交大工程计算实践作业.docx

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西南交大工程计算实践作业

工程计算实践第一次作业

班级：

专隧1班

姓名：

XXXXX

学号：

xxxxxxxxxx

2017年4月

1.工程背景

选取一相似实际工程，该隧道为单洞双线隧道。

区域为中低山区，地形起伏较大，山坡自然坡度约30~60度，相对高差300~860m左右，主要岩层地层岩性较单一，地表零星分布有第四系坡残积层，主要为花岗岩、花岗闪长岩、全~弱风化，全风化层厚度约为20~30m，强风化层厚3~5m，下伏弱风化层。

埋深约为30m。

掌子面围岩主要为强风化花岗岩、花岗闪长岩。

掌子面揭露呈黄褐色，岩体破碎，节理裂隙较发育，裂缝密集且部分张开；毛开挖面能够自稳，偶有掉块现象。

初期支护喷射35cm厚，C25混凝土，钢架间距60cm。

每三棍在拱部1400范围内施做一环4m长小导管，间距30cm。

二衬厚度60cm,C30混凝土。

2.计算模型建立

根据隧道支护结构尺寸信息，采用ANSYS建模，仅考虑二次衬砌受力，二次衬砌承担50%的荷载。

2.1计算参数

二衬C30混凝土以及V级围岩的参数见表1-1。

根据《铁路隧道设计规范》，可以计算出深埋隧道围岩的垂直和水平均布荷载，如表1-2所示。

对于竖向和水平的均布荷载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半衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载总和。

结构自重直接通过ANSYS添加密度施加。

表1-1围岩及衬砌参数

名称

重度

弹性模量

泊松比

弹性反力

V级围岩

19

1.5

0.4

500

C30混凝土

25

32

0.2

-----

表2-2深埋隧道荷载计算表

荷载

垂直均布荷载（kPa）

水平均布荷载（kPa）

大小

149.003

64.568

2.2模拟步骤

2.2.1建立模型

打开ANSYS，进入前处理器，输入如下命令可初步建立模型。

图1模型示意图

2.2.2为模型赋予属性

模型材料选择为梁单元（beam3），截面宽度lm，高度0.4m，弹性模量32Gpa泊松比0.2，密度2500。

同时选择弹簧单元（combin14）设置其相关物理和几何参数，如图2所示

图2物理、几何参数设置图

2.2.3网格划分

分别对用梁单元（BEAM3）弹簧单元（combin14）对其进行网格划分。

用杆单元来模拟弹簧单元。

2.2.4施加约束及荷载

施加节点约束，分别对弹簧单元施加X,Y方向的约束，约束值设置为0，同时在隧道底部约束住隧道水平方向的位移，约束值设置为0。

:

如图3所示

图3约束设置图

2.2.5施加节点荷载

节点荷载计算方法

节点荷载计算示意图如下

图4单元ij受力图

衬砌结构承受主动垂直线性荷载和水平线性荷载，计算时将其转换为节点荷载。

假设单元ij受力如图1-10所示荷载作用，则节点i和节点j的等效节点荷载可分别由如下的荷载阵列求出。

命令流如下

*SET,_Q1,99.404e3

*SET,_Q2,99.404e3

*SET,_E1,24.851e3

*SET,_E2,24.851e3

*SET,_E3,24.851e3

*SET,_E4,24.851e3

*GET,_E_MAX,ELEM,,NUM,MAX

*GET,_E_MIN,ELEM,,NUM,MIN

*GET,_E_COUNT,ELEM,,COUNT

*GET,_N_MAX,NODE,,NUM,MAX

*GET,_N_MIN,NODE,,NUM,MIN

*GET,_N_COUNT,NODE,,COUNT

*GET,_LOC_X_MAX,NODE,,MXLOC,X

*GET,_LOC_X_MIN,NODE,,MNLOC,X

*GET,_LOC_Y_MAX,NODE,,MXLOC,Y

*GET,_LOC_Y_MIN,NODE,,MNLOC,Y

*SET,_WIDTH,_LOC_X_MAX-_LOC_X_MIN

*SET,_HEIGHT,_LOC_Y_MAX-_LOC_Y_MIN

*SET,_CENT_X,（_LOC_X_MAX+_LOC_X_MIN）/2

*SET,_CENT_Y,（_LOC_Y_MAX+_LOC_Y_MIN）/2

*SET,_I_ND,_N_MIN

*SET,_I_EL,_E_MIN

*DIM,_NF_INFO,ARRAY,_N_COUNT,4

*DIM,_ND_INDEX,ARRAY,_N_MAX

*DO,I,1,_N_COUNT,1

*IF,NX（_I_ND）,EQ,_LOC_X_MAX,THEN

_CENT_Y=NY（_I_ND）

*ENDIF

*IF,NY（_I_ND）,EQ,_LOC_Y_MAX,THEN

_CENT_X=NX（_I_ND）

*ENDIF

_NF_INFO（I,1）=_I_ND

_ND_INDEX（_I_ND）=I

_I_ND=NDNEXT（_I_ND）

*ENDDO

*DO,I,1,_E_COUNT,1

_NI=NELEM（_I_EL,1）

_NJ=NELEM（_I_EL,2）

_LOC_XI=NX（_NI）-_LOC_X_MIN

_LOC_YI=NY（_NI）-_LOC_Y_MIN

_LOC_XJ=NX（_NJ）-_LOC_X_MIN

_LOC_YJ=NY（_NJ）-_LOC_Y_MIN

*GET,_E_CENT_X,ELEM,_I_EL,CENT,X

*GET,_E_CENT_Y,ELEM,_I_EL,CENT,Y

*IF,_E_CENT_X,GT,_CENT_X,THEN

*IF,_E_CENT_Y,GT,_CENT_Y,THEN

_E_I=-_E3-（_E4-_E3）*（1-_LOC_YI/_HEIGHT）

_Q_I=-_Q1-（_Q2-_Q1）*_LOC_XI/_WIDTH

_E_J=-_E3-（_E4-_E3）*（1-_LOC_YJ/_HEIGHT）

_Q_J=-_Q1-（_Q2-_Q1）*_LOC_XJ/_WIDTH

*ELSE

_E_I=-_E3-（_E4-_E3）*（1-_LOC_YI/_HEIGHT）

_Q_I=0

_E_J=-_E3-（_E4-_E3）*（1-_LOC_YJ/_HEIGHT）

_Q_J=0

*ENDIF

*ELSE

*IF,_E_CENT_Y,GT,_CENT_Y,THEN

_E_I=_E1+（_E2-_E1）*（1-_LOC_YI/_HEIGHT）

_Q_I=-_Q1-（_Q2-_Q1）*_LOC_XI/_WIDTH

_E_J=_E1+（_E2-_E1）*（1-_LOC_YJ/_HEIGHT）

_Q_J=-_Q1-（_Q2-_Q1）*_LOC_XJ/_WIDTH

*ELSE

_E_I=_E1+（_E2-_E1）*（1-_LOC_YI/_HEIGHT）

_Q_I=0

_E_J=_E1+（_E2-_E1）*（1-_LOC_YJ/_HEIGHT）

_Q_J=0

*ENDIF

*ENDIF

_FX_I=0.05*（3*_E_J+7*_E_I）*ABS（_LOC_YJ-_LOC_YI）

_FY_I=0.05*（7*_Q_I+3*_Q_J）*ABS（_LOC_XJ-_LOC_XI）

_FX_J=0.05*（7*_E_J+3*_E_I）*ABS（_LOC_YJ-_LOC_YI）

_FY_J=0.05*（3*_Q_I+7*_Q_J）*ABS（_LOC_XJ-_LOC_XI）

_NF_INFO（_ND_INDEX（_NI）,2）=_NF_INFO（_ND_INDEX（_NI）,2）+_FX_I

_NF_INFO（_ND_INDEX（_NI）,3）=_NF_INFO（_ND_INDEX（_NI）,3）+_FY_I

_NF_INFO（_ND_INDEX（_NJ）,2）=_NF_INFO（_ND_INDEX（_NJ）,2）+_FX_J

_NF_INFO（_ND_INDEX（_NJ）,3）=_NF_INFO（_ND_INDEX（_NJ）,3）+_FY_J

!

MZ

_I_EL=ELNEXT（_I_EL）

*ENDDO

*DO,I,1,_N_COUNT,1

F,_NF_INFO（I,1）,FX,_NF_INFO（I,2）

F,_NF_INFO（I,1）,FY,_NF_INFO（I,3）

!

MZ

*ENDDO

!

FREETHEMEMORY

*DEL,_ND_INDEX,,NOPR

*DEL,_NF_INFO,,NOPR

图5施加反向荷载节点示意图

3.求解

施加重力9.8，同时指定分析类型为静态分析，然后求解，求解完成，查看，节点轴力，弯矩，剪力图如下图，5，6，7所示

轴力图（单位:

N）

弯矩图（单位:

N/m）

剪力图（单位:

N}m）

单元号

轴力

剪力

弯矩

283

-0.12476E+07

-0.60868E+06

0.79314E+06

284

-0.13817E+07

0.13548E+06

-0.39546E+06

285

-0.23117E+07

47595.

-97321

286

-0.33272E+07

-53044.

20980

287

-0.39435E+07

91101.

-67706.

288

-0.45045E+07

34421.

50837.

289

-0.48815E+07

11332.

96712.

290

-0.49828E+07

-10366.

0.11183E+06

291

-0.47946E+07

-15023.

97919.

292

-0.43049E+07

0.12360E+06

76294.

293

-0.28577E+07

-0.17039E+06

0.22616E+06

294

-0.16088E+07

-80739.

-0.20706E+06

295

-0.12476E+07

0.49541E+06

-0.43405E+06

296

-0.12476E+07

0.60868E+06

-0.79314E+06

297

-0.13817E+07

-0.13548E+06

0.39546E+06

298

-0.23117E+07

-47595.

97321.

299

-0.33272E+07

53044.

-20980.

300

-0.39435E+07

-91101.

67706.

301

-0.45045E+07

-34421.

-50837.

302

-0.48815E+07

-11332.

-96712.

303

-0.49828E+07

10366.

-0.11183E+06

304

-0.47946E+07

15023.

-97919

305

-0.43049E+07

-0.12360E+06

-76294.

306

-0.28577E+07

0.17039E+06

-0.22616E+06

307

-0.16088E+07

80739

0.20706E+06

308

-0.12476E+07

-0.49541E+06

0.43405E+06

309

-0.43977E+07

0.15033E-09

-0.93906E-09

310

-0.44625E+07

0.15033E-09

-0.27659E-09

311

-0.45272E+07

0.15033E-09

0.38588E-09

其中最大压力在303号单元处，其值为0.49828E+07，最大拉力在296处，其值为0.12476E+07，最大负弯矩在296号单元处，其值为0.43405E+06，最大正弯矩在283号单元处，其值为0.79314E+06，最大剪力发生在296号单元处，其值为0.60868E+06。

计算各断面最不利位置的偏心距，去年权系数，按破损截断法验算衬砌截面强度，有：

K=N极限/N，式中，N极限—截面的极限承载力（轴力）N—截面的实际轴力K—强度安全系数对于截面极限承载力N极限的计算，依轴力偏心距NMe的大小有两种情况：

对混凝土矩形截面构建，当e≤0.20h时，承载能力由抗压强度控制：

N极限=φαRαbh

当e0>0.20h时，抗拉强度也控制承载能力。

内力最大四个特征点验算：

位置

单元号

轴力

弯矩

K

[K]

破坏类型

拱顶

283

-0.12476E+07

-0.79314E+06

5.62

3.6

抗拉

拱腰

299

-0.33272E+07

20980.

4.48

3.6

抗拉

边墙

306

-0.28577E+07

0.22616E+06

3.98

3.6

抗拉

拱脚

308

-0.12476E+07

0.43405E+06

6.36

3.6

抗拉