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223001.50.32290.35C30钢筋混凝土25-300.2542.42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8022516045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（菜单）：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（标题）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（衬砌类型）选择菜单MainMenu：Preprocessor（前处理）→ElementType（元素类型）→Add（添加）/Edit（编辑）/Delete（删除）命令，出现ElementTypes对话框，单击Add按钮，出现LibraryofElementTypes（类型库）对话框。在左侧滚动栏中选择StructuralBeam（梁结构），在右侧滚动栏中选择2Delestic3（二维弹性结构），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（组合）选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper（弹性支撑）注：把岩体等效成与衬砌密贴的弹性支承14，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（衬砌截面属性）⑴选择菜单MainMenu：Preprocessor→RealConstants（实常数）→Add/Edit/Delete命令，出现RealContants对话框，单击Add按钮，出现ElementTypeforRealContants（弹性结构实常数定义）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（把岩石等效成若干个弹性支撑）对话框，然后在Springconstant栏后输入30000000（对应岩体的弹性抗力系数），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（混凝土）⑴选择菜单MainMenu：Preprocessor→MaterialProps（材料属性）→MaterialModels（材料模型）命令，出现DefineMaterialBehavior（定义材料属性）对话框。⑵在MaterialModelsAvailable（可利用的材料模型）一栏中依次单击Structural（结构）、Linear（线性）、Elastic（弹性）、Isotropic（各向同性）选项，出现LinearIsotropicProperties(线弹性均醒属性)forMaterialNumber1（材料编号）对话框，在EX（弹性模量）对话框中输入3e10，在PRXY（泊松比）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（密度）选项，在弹出的DensityforMaterialNumbere1（材料密度编号）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（建模）→Create→Keypoints（创建关键点）→InActiveCS（活动坐标系）命令，出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem（活动坐标系中创建关键点）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XYZ关键点号XYZ100054.025.50203.85064.93.85030.885.5074.90042.456.150K,1,0,0K,2,0,3.85K,3,0.88,5.5K,4,2.45,6.15K,5,4.02,5.5K,6,4.9,3.85K,7,4.9,0⑵创建隧道衬砌支护线模型选择菜单MainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines（线）→Arcs（弧线）→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。Larc,2,3,6,3.21Larc,3,4,6,2.22Larc,4,5,2,2.22Larc,5,6,2,3.21Larc,6,7,2,8.13Larc,7,1,4,6图10隧道衬砌支护线模型查看关键点编号和弧线编号plotctrls（视图）—numbing或者选择MainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines（线）→Arcs（弧线）—Through3kp—始点、终点、中点顺序画弧⑶保存几何模型文件选择菜单UtilityMenu：File→Saveas命令，打开SaveDatabase（保存数据库）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（划分网格）→MeshTool（划分工具）命令，打开MeshTool对话框，在ElementAttribute（元素属性）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（材料编号）后面的下拉菜单中选择1，在RealConstantsetnumber（实常数设定编号）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。（定义墙拱衬砌线的属性，前面设置的实常数的属性）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。（定义仰拱线的实常数，前面定义的弹支撑的实常数属性）图11赋予线特性对话框⑸控制线尺寸在MeshTool对话框中SizeControls（尺寸控制）下面选择栏中的Lines（对绘出的线）右边单击Set（设置）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（分割的分数）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。重新排列单元序号allsel,allnumcmp,all，运行命令后从新从视图上显示一下numbering菜单中的节点号和编号或者MainMenu---preprosessor---numberingctrls---compressnumbers---然后在出现的对话框下拉选框中选Nodes（节点）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（隧道模型）→SpringSupport（弹性支承）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（弹性支承的节点位置）栏后面输入弹簧节点位置编号1，在TypeofSpring（弹簧类型）后面的下拉菜单中选择Translational，在SpringConstant（弹性抗力系数）栏后面输入弹簧系数300000000，在DX，DY，DZDistancetogroundpt（相对节点坐标）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。注：弹簧单元长度为1（太长了计算出结果后可能显示不明显），实际上弹簧单元的长度对计算结果没有影响，隧道顶部（90度范围内）为脱离区，故不需要添加弹簧单元。DX，DY是弹簧另一个端点的坐标值，他是在法线方向上，根据在cad中的角度来计算。如果有些弹簧单元根据计算结果显示是受拉的，需要去掉