隧道结构受力分析.docx
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隧道结构受力分析
实例1隧道结构受力分析
1．问题描述
选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。
为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。
主要参数如下：
⑴隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；
⑵采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；
⑶隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；
⑷隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。
图3-3隧道支护结构断面图
隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-4。
表3-4C30钢筋混凝土的物理力学指标
名称
容重
（KN/m3）
弹性抗力系数
K（MPa/m）
弹性模量
E（GPa）
泊松比
内摩擦角
（。
）
凝聚力
C（MPa）
IV级围岩
22
300
1.5
0.32
29
0.35
C30钢筋混凝土
25
-
30
0.2
54
2.42
表3-5载荷计算表
载荷种类
围岩压力
结构自重
水压（N/m3）
垂直均布力（N/m3）
水平均布力（N/m3）
值
80225
16045
通过ANSYS添加
200000
根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表3-5。
对于竖向和水平的分布载荷，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般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。
自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。
隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。
2.求解步骤
第一步：
定义工作文件名和工作标题
⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单UtilityMenu：
File→ChangeJobname，出现ChangeJobname对话框。
在【/FILNAM】EnternewJobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。
⑵选择菜单UtilityMenu：
File→ChangeTitle命令，出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入TunnelSupportStructuralAnalysis，单击OK按钮关闭该对话框。
第二步：
定义单元类型
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete命令，出现ElementTypes对话框，单击Add按钮，出现LibraryofElementTypes对话框。
在左侧滚动栏中选择StructuralBeam，在右侧滚动栏中选择2Delestic3，单击Apply按钮，定义Beam3单元，如图2所示。
再在左侧滚动栏中选取Combination选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper14，单击OK按钮，定义Combin14单元，最后单击Close按钮关闭对话框。
图2单元类型库对话框
第三步：
定义单元实常数
⑴选择菜单MainMenu：
Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete命令，出现RealContants对话框，单击Add按钮，出现ElementTypeforRealContants对话框，单击OK按钮，选择TYPE1BEAM3，单击OK按钮，最后在弹出的RealConstantforBEAM3对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：
0.65、惯性矩IZZ：
0.022885417、高度HEIGHT：
0.65，如图3所示。
图3定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框
⑵单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE1BEAM3，单击OK按钮，在打开的对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：
0.85、惯性矩IZZ：
0.05117833、高度HEIGHT：
0.85，如图4所示。
这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同，所以要建立两个BEAM3实常数。
图4定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框
⑶单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE2Combin14，单击OK按钮，打开如图5所示的RealConstantsSetNumbere3forCOMBIN14对话框，然后在Springconstant栏后输入30000000，单击OK按钮，单击Close按钮关闭对话框。
图5COMBIN14实常数对话框
第四步：
定义材料属性
⑴选择菜单MainMenu：
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels命令，出现DefineMaterialBehavior对话框。
⑵在MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框，在EX对话框中输入3e10，在PRXY输入栏中输入0.2，如图6所示，单击OK按钮关闭该对话框。
⑶单击Structural、Density选项，在弹出的DensityforMaterialNumbere1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500，如图7所示。
单击OK按钮，选择Material→Exit，退出材料定义对话框。
图6线弹性材料模型对话框
图7材料密度输入对话框
第五步：
建立模型和划分网格
⑴创建隧道衬砌支护关键点
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS命令，出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框，输入表1中的关键点坐标。
最后单击OK按钮，生成7个关键点。
表1关键点坐标
关键点号
X
Y
Z
关键点号
X
Y
Z
1
0
0
0
5
4.02
5.5
0
2
0
3.85
0
6
4.9
3.85
0
3
0.88
5.5
0
7
4.9
0
0
4
2.45
6.15
0
⑵创建隧道衬砌支护线模型
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→ByEndKPs&Rad命令，在打开的对话框中输入1，2，单击Apply按钮，继续输入6，单击OK按钮，弹出ArcByEndKPs&Radius对话框，如图9所示。
在RADRadiusofthearc栏后面输入弧线半径8.13，单击Apply按钮，创建弧线1。
图9画弧线对话框
重复以上步骤，分别在图9栏中依次输入3.21，2，3，6；2.22，3，4，6；2.22，4，5，2；3.21，5，6，2；8.13，6，7，2；6，7，1，4。
最后单击OK按钮生成隧道衬砌支护线模型，如图10所示。
图10隧道衬砌支护线模型
⑶保存几何模型文件
选择菜单UtilityMenu：
File→Saveas命令，打开SaveDatabase对话框，在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db，单击OK按钮。
⑷为线赋予特性
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Meshing→MeshTool命令，打开MeshTool对话框，在ElementAttribute后面的下拉菜单选择Lines，单击Set按钮，打开LineAttribute线拾取框，在输入栏中输入1，2，3，4，5，6，单击OK按钮，打开LineAttributes对话框，在Materialnumber后面的下拉菜单中选择1，在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择1，在Elementtypenumber后面的下拉菜单中选择1BEAM3，如图11所示。
单击Apply按钮再次打开线拾取框。
用同样的方法为线7赋予特性，其它选项与1到6的线一样，只是在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择2，单击OK按钮退出。
图11赋予线特性对话框
⑸控制线尺寸
在MeshTool对话框中SizeControls下面选择栏中的Lines右边单击Set按钮，在打开的对话框中拾取线1和6，单击拾取框上的OK按钮，打开ElementSizesonpickedLines对话框，如图12所示。
在No.ofelementdivisions栏后面输入4，再单击Apply按钮。
用同样的方法控制线2、3、4、5、6、7的尺寸，只实线2、3、4、5在No.ofelementdivisions栏后面输入2，线7在No.ofelementdivisions栏后面输入8。
图12线单元尺寸划分对话框
⑹划分网格
在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，打开一个对话框，单击PickAll按钮，生成24个梁单元，如图13所示。
图13隧道支护单元图
⑺创建弹簧单元
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Modeling→Create→PipingModels→SpringSupport命令，打开选择节点对话框，选择节点1后，单击OK按钮，打开一个DefineSpringSupport对话框，如图14所示。
图14定义弹簧单元对话框
在图14所示对话框中的Nodeatspringlocation栏后面输入弹簧节点位置编号1，在TypeofSpring后面的下拉菜单中选择Translational，在SpringConstant栏后面输入弹簧系数300000000，在DX，DY，DZDistancetogroundpt栏后面分别输入弹簧另一端点的坐标值：
-0.97029572,-0.241921895,0。
单击Apply按钮，用同样的方法生成其他的弹簧单元，其节点号及坐标值见表2。
最后单击OK按钮，就完成了弹簧单元的创建，得到添加弹簧单元的单元网格图，如图15所示。
表2弹簧单元参数表
SpringConstant
DX
DY
DZ
2
300000000
-0.97029572
-0.241921895
0
3
300000000
-0.97437006
0.22495105
0
4
300000000
-0.98628560
-0.1604768
0
5
300000000
-0.99996192
-0.00872654
0
6
300000000
-0.98901586
0.14780941
0
7
300000000
-0.70710678
0.70710678
0
10
300000000
-0.88294757
0.469471561
0
11
300000000
0.70710678
0.70710678
0
12
300000000
0.97437006
0.22495105
0
13
300000000
0.88294757
0.469471561
0
14
300000000
0.97029572
-0.241921895
0
15
300000000
0.98901586
0.14780941
0
16
300000000
0.99996192
-0.00872654
0
17
300000000
0.98628560
-0.1604768
0
18
300000000
0.30901699
-0.95105651
0
19
300000000
0.20791169
-0.9781476
0
20
300000000
0.10452846
-0.99452189
0
21
300000000
0
-1
0
22
300000000
-0.10452846
-0.99452189
0
23
300000000
-0.20791169
-0.9781476
0
24
300000000
-0.30901699
-0.95105651
0
图15添加弹簧单元后的单元网格图
第六步：
施加约束和载荷
⑴给弹簧单元施加约束
选择菜单MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement
→OnNodes命令，打开在节点上施加位移约束对话框，点选单元最外层节点共21个节点，单击OK按钮，打开ApplyU，ROTonNodes对话框，如图16所示。
图16为节点施加位移约束对话框
在DOFstubeconstrained栏后面选取UX，UY，接着在Applyas栏后面的下拉菜单中选取Constantvalue选项，并在Displacementvalue栏后面输入0值，然后单击OK按钮，完成对弹簧节点位移的约束。
⑵施加重力加速度
选择菜单MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令，打开Apply（Gravitational）Acceleration对话框，如图17所示。
在GlobalCartesianY-comp栏后面输入重力加速度值9.8，单击OK按钮，完成重力加速度的施加。
图17施加重力加速度对话框
⑶对隧道衬砌支护施加围岩压力
选择菜单MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道支护线腰部和顶部的所有节点，打开ApplyF/MonNodes对话框，如图18所示。
在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/momentvalue栏中输入围岩垂直均布力-80225。
图18施加节点力对话框
单击Apply按钮，在打开对话框后选择隧道支护线剩下的节点，在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/momentvalue栏中输入围岩垂直均布力-80225。
再单击Apply按钮，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上的1、2、3、4、5、6、7、8、9、22、23、24共12个节点，打开如图18所示的对话框，在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/momentvalue栏中输入围岩水平均布力16045。
再次单击Apply按钮，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上剩下的12个节点，打开如图18所示的对话框，在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/momentvalue栏中输入围岩水平均布力-16045。
单击OK按钮，完成对隧道衬砌支护施加围岩压力。
⑷对隧道仰拱施加水压
选择菜单MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道仰拱节点18，打开如图18所示的对话框，在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FX，在Force/momentvalue栏中输入水平水压力-161803.再次单击Apply按钮，又打开一个对话框，选择节点18，又打开如图18所示的对话框，在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/momentvalue栏中输入围岩水平均布力70381，单击OK按钮，完成节点18的水压力的施加。
使用同样的方法对仰拱的其他节点施加水压，只是数值不同：
节点19：
FX=-182309，FY=50101；节点20：
FX=-198904，FY=13093；节点21：
FX=0；FY=125960；节点22：
FX=13093，FY=182309；节点23：
FX=182309，FY=50101；节点24：
FX=161803，FY=70381。
最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护结构模型图，如图19所示。
图19施加约束和载荷后隧道结构模型
第七步：
求解计算
选择菜单MainMenu：
Solution→Solve→CurrentLS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，如图20和图21所示，检查信息无误后，单击OK按钮，开始求解计算，求解结束后，弹出Solutionisdone提示栏，单击Close按钮关闭提示栏。
图20求解选项信息
图21当前求解载荷步对话框
第八步：
后处理（对计算结果进行分析）
⑴计算分析修改模型
1）查看隧道衬砌支护结构变形图
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令，弹出PlotDeformedShape对话框，如图22所示，选中Def+underformed，单击OK按钮，将出现隧道衬砌支护结构变形图，如图23所示。
图22查看变形图对话框
图23初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图
从图23的初次分析隧道衬砌支护结构变形图中可以看出弹簧26、30、31、32、33、34是受拉的，因为用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的地层弹簧只能承受压力，所以这6根弹簧必须去掉，再重新计算，直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。
2）删除受拉弹簧单元
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Modeling→Delete→Elements命令，打开一个删除单元选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK按钮。
选择菜单MainMenu：
Preprocessor→Modeling→Delete→Nodes命令，打开一个删除节点选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK按钮。
3）第二次求解
选择菜单MainMenu：
Solution→Solve→CurrentLS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，接受默认设置，单击OK按钮，开始求解计算，直到出现一个Solutionisdone提示栏，单击Close按钮关闭提示栏。
4）查看第二次分析计算结构变形图
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令，弹出PlotDeformedShape对话框，选中Def+underformed，单击OK按钮，将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。
经过2次计算，得到没有受拉弹簧时的隧道结构模型，如图24所示。
其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图25所示。
图24没有受拉弹簧时的隧道结构模型图
图25最终隧道结构变形图
5）保存计算结果
选择菜单UtilityMenu：
File→Saveas命令，打开SaveDatabase对话框，在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-result.db，单击OK按钮。
⑵画出主要图形
1）绘制结构变形图
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令，弹出PlotDeformedShape对话框，选中Def+underformed，单击OK按钮，得到隧道结构变形图，如图25所示。
2）将节点弯矩、剪力、轴力制表
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令，打开一个ElementTableData对话框，如图26所示。
单击Add按钮，打开一个DefineAdditionalElementTableItems对话框，如图27所示。
图26单元数据制表对话框
图27定义单元数据表对话框
在Userlabelforitem栏后面输入IMOMEMT，在Item，CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum，并在右栏输入6，然后单击Apply按钮；再次在Userlabelforitem栏后面输入JMOMENT，在Item，CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum，并在右栏输入12，然后单击Apply按钮；使用同样的方法依次输入ISHEAR，2；JSHEAR，8；ZHOULI-I，1；ZHOULI-J，7。
最后得到定义好后的单元数据表对话框，如图28所示。
图28定义好后的单元数据表对话框
3）设置弯矩分布标题
选择菜单UtilityMenu：
File→ChangeTitle命令，出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入BENDINGMOMENTdistribution，单击OK按钮关闭该对话框。
4）画结构弯矩图
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令，打开一个PlotLine-ElementResults对话框，如图29所示。
在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取IMOMEMT，在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取JMOMENT，在Optionalscalefactor后面栏中输入-0.8，在Itemstobeplottedon栏后面选择Deformedshape单选按钮，最后单击OK按钮，得到隧道衬砌支护结构的弯矩图，如图30所示。
图29画结构弯矩图对话框
图30结构弯矩图（单位：
N.m）
5）设置剪力分布标题
选择菜单UtilityMenu：
File→ChangeTitle命令，出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入SHEARforcedistribution，单击OK按钮关闭该对话框。
6）画结构剪力图
选择菜单MainMenu：
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令，打开一个PlotLine-ElementResults对话框。
在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取ISHEAR，在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中
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