隧道ansys计算程序算例荷载结构模式

选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的别岩槽隧道某断面，该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。为保证结构的安全性，采用了荷载—结构模型，利用ANSYS对其进行计算分析。主要参数如下：隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm。采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是5.36米，深埋隧道。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3-3所示。表3-3物理力学指标名称容重（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v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3-4荷载计算表荷载种类围岩压力结构自重水压N/m3垂直匀布力N/m3水平匀布力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匀布力和水平匀布力。对于竖向和水平的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临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荷载的总和。自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。3.3.3GUI操作方法3.3.3.1创建物理环境1)在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYSProductLauncher】，得到“10.0ANSYSProductLauncher”对话框。2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:\ansys\example301”，在“JobName”栏输入文件名“Support”。3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。4）过滤图形界面：MainMenuPreferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。5）定义工作标题：UtilityMenuFileChangeTitle，在弹出的对话框中输入“TunnelSupportStructuralAnalysis”，单击“OK”，如图3-4所示。图3-4定义工作标题6）定义单元类型：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”单元类型对话框，如图3-5所示，单击“Add”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框，如图3-6所示。在该对话框左面滚动栏中选择“Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D-elastic3”，单击“Apply”，定义了“Beam3”单元。再在左面滚动栏中选取“Combination”，右边的滚动栏中选择“Spring-damper14”，如图3-7所示。然后单击“OK”按钮，这就定义了“Combin14”单元，最后单击图3-5单元类型对话框中的“Close”按钮。图3-5单元类型对话框3-6定义Beam3单元对话框3-7定义Combin14单元对话框7）定义材料属性：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图3-8所示。在右边的栏中连续双击“StructuralLinearElasticIsotropic”后，又弹出如图3-9所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。再在定义材料本构模型对话框选中“Density”并双击，弹出如图3-10所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，再单击“OK”按钮。图3-8定义材料本构模型对话框图3-9线弹性材料模型对话框图3-10材料密度输入对话框最后单击“MaterialExit”结束，得到结果如图3-11所示。`图3-11材料属性定义结果8）定义实常数：MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/Delete，弹出“RealConstants”实常数对话框，如图3-12所示。单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-14所示“RealConstantforBEAM3”对话框，在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”。图3-12实常数对话框图3-13选择单元类型对话框图3-14定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框图3-15定义隧道仰拱BEAM3实常数2对话框然后单击“OK”按钮，然后在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-15所示的对话框，在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“0.051170833”、高度HEIGHT“0.85”。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部及顶部的厚度不同，所以要建立2个BEAM2实常数。然后单击“OK”按钮，在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type2Combin14”，单击“OK”按钮，弹出如图3-16所示“RealConstantSetNumber3forCOMBIN14”对话框，在“SPRINGCONSTANT”栏后面输入“30000000”，单击“OK”按钮，弹出如图3-17对话框，最后单击“Close”按钮图3-16COMBIN14实常数后对话框图3-17定义完实常数后对话框3.3.3.2建立模型和划分网格1）创建隧道衬砌支护关键点：MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS，弹出“CreaeKeypointsinActiveCooedinateSystem”对话框，如图3-18所示。在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“1”，在“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。再依次重复在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“2、3、4、5、6、7”，在对应“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，3.85，0）、（0.88，5.5，0）、（2.45，6.15，0）、（4.02，5.5，0）、（4.9，3.85，0）、（4.9，0，0），最后单击“OK”按钮，生成7个关键点，如图3-19所示。图3-18在当前坐标系创建关键点对话框图3-19隧道支护关键点2）创建隧道衬砌支护线模型：MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsByEndKPs&Rad，弹出如图3-20所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“1，2”，单击“Apply”，弹出如图3-21所示对话框。在对话框栏中输入关键点“6”，弹出“ArcByEndKPs&Rad”对话框，如图3-22所示。在“RADRadiusofthearc”栏后面输入弧线半径“8.13”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。图3-20定义弧线两端点对话框图3-21定义弧线曲率关键点对话框图3-22画弧线对话框重复以上操作步骤，分别把图3-22对话框栏中空栏依次输入“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3-23所示。图3-23隧道衬砌支护线模型3）保存几何模型文件；UtilityMenuFileSaveas，弹出一个“SaveDatabase”对话框，在“SaveDatabaseto”下面输入栏中输入文件名“Support-geom.db”，单击“OK”。4）给线赋予特性：MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出“MeshTool”对话框，如图3-24所示。在“ElementAttributes”后面的下拉式选择栏中选择“Lines”，按“Set”按钮，弹出一个“LinesAttributes”线拾取框，在图形界面上拾取编号为“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线，单击拾取框上的“OK”按钮，又弹出一个如图3-25所示的“LinesAttributes”对话框，在“Materialnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“RealConstantsetnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Elementtypenumber”后面的下拉式选择栏中选取“1BEAM3”。单击“Apply”再次弹出线拾取框。用相同方法给线L7赋予特性，其他选项与“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线一样，只是在“RealConstantsetnumber”后面的下拉式选择栏中选取“2”，单击“OK”按钮退出。图3-24网格划分工具栏图3-25赋予线特性对话框5）控制线尺寸：在“MeshTool”对话框中的“Sizecontrols”下面的选择栏中的“Lines”右边单击“Set”，在弹出对话框中拾取线L1和L6，单击拾取框上的“OK”按钮，弹出“ElementSizesonAllSelectedLines”对话框，如图3-26所示。在“Noofelementdivisions”栏后面输入“4”。再单击“Apply”按钮。用相同方法控制线L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是线L2、L3、L4、L5在“Noofelementdivisions”栏后面输入“2”，线L7在“Noofelementdivisions”栏后面输入“8”。图3-26线单元尺寸划分对话框6）划分网格：在图3-24网格划分工具栏中单击“Mesh”按钮，弹出一个对话框，单击“PickALL”，生成24个梁单元，如图3-27所示。图3-27隧道支护单元图7）打开节点编号显示：UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图3-28所示。选中“NodeNumbers”选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。显示这些节点编号目的是为后面创建弹簧单元准备，这些节点是弹簧单元的一个节点。图3-28显示节点编号对话框8）创建弹簧单元：MainMenuPreprocessorModelingCreatePipingModelsDefinePipesSpringSupport，弹出一个选择节点对话框，选择节点1后，单击“OK”按钮，又弹出一个“DefineSupportSpring”对话框，如图3-29所示。在图3-29对话框中，在“Nodeatspringlocation”栏后面输入弹簧节点位置编号“1”，在“Typeofspring”后面的下拉选择栏中选择“Translation”，在“Springconstant”栏后面输入弹簧系数“300000000”，在“DX，DY，DZDistancet