当前位置： >>
第3章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析
第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析内容 提要本章首先介绍了隧道工程的相关概念；然后 介绍了 ANSYS 的生死单元及 DP 材料模型； 最后 用 2 个实例分别详细描述了用 ANYS 实现隧道结 构设计和隧道施工模拟的全过程。本章重点隧道工程概述 隧道施工 ANSYS 模拟的实现 ANSYS 隧道开挖模拟实例分析ANSYS 隧道结构实例分析本章典型效果图第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析3.1 隧道工程相关概念3.1.1 隧道工程设计模型为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程” 。在地下 工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道” 。由于地层开挖后容易变形、塌落或 是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修 建支护结构，称之为“衬砌” 。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩 密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环 境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工 程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是 地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实 极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。 地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在 20 世纪 20 年代以前，地下 工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑 或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在 衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20 世纪 50 年代以来，岩石力 学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松 散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结 构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支 护允许开挖后的围岩有一定的变形， 使围岩能够发挥其稳定性， 从而可以大大地减小衬砌厚度。 国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种： ? 以工程类比为主的经验设计方法。 ? ? ? 以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以 洞周围测量值为基础的收敛―约束法以及实验室模型试验等） 。 作用―反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷―结构模型，包括弹性地基梁、 弹性地基圆环等。 连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以 FEM 为主） 。国际隧道学会于 1978 年成立了隧道结构设计模型研究小组， 收集和汇总了各会员国目前采 用的隧道工程设计模型，详见表 3-1。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 表 3-1 国家 盾构法 隧道工程设计模型 明挖法 结构力学弯距 二次支护：作用与发 分配法 作用法 大型洞室：FEM 初期支护：ProctorWhite 法 结构力学弯距 二次支护：弹性支撑 分配法 全圆环法、 Muir Wood 法 或假 定隧 道变 形 法 奥地利 日本 弹性地基圆环 弹性地基圆环、 FEM 、 收敛―约束法 局部支撑弹性地 局 部支撑弹 性地基 圆 基圆环 环、 经验法加测试、 FEM 埋深&2D： 顶部无 埋深 &2D：顶部无支撑 德国 支撑的弹性地基 的弹性地基圆环 圆环 埋深 &3D：全周支撑的 埋深&3D： 全周支 弹性地基圆环或 FEM 撑的弹性地基圆 环或 FEM 法国 弹性地基圆环或 FEM 、经验法、作用与 FEM 反作用法 弹 性地 基圆 环 法 、 Muir Wood 收敛-约束法、经验法 法 ― 弹性地基圆环 作用与反作用法 弹性地基圆环、FEM、 Proctor-White 法、 比利时 经验法 Schulze-Duddek ― 法 ― 连续介质模型、收敛 ― -约束法、经验法 FEM、收敛-约束法、 经验法 矩形框架 FEM、收敛-约束法、 ― 经验法 ― 弹性地基连续 框架 钢架结构 全 周支 撑的 弹性 地 弹性地基框架 基圆环或 FEM 弹性地基框架、FEM、 弹 性 地 基 框 特征曲线法 架、FEM 经验法 弹性地基框架NATM 法 矿山法 初期支护： FEM 、收敛 初期支护：经验法 ―约束法中国弹性地基圆环、 二次支护：弹性地基圆 经验法 环 弹性支撑全圆环 法 、 Muir Wood 法或假定隧道变 形法 初期支护：ProctorWhite 法 二次支护：弹性支撑全 圆环法、Muir Wood 法 或假定隧道变形法澳大利亚英国 瑞士 美国第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 注：表中 NATM 指新奥法，是 NEW AUSTRIA TUNNELING METHOD 的简称。 FEM 指有限元法，是 FINITE ELEMENT METHOD 的简称。 各种隧道设计模型各有其适合的场合，也各有自身的局限性。由于隧道结构设计受到各种 复杂因素的影响，因此在世界各国隧道设计中，主要采用以工程类比为主的经验设计法，特别 是在支护结构预设计中应用最多。即使内力分析采用比较严格的理论，其计算结果往往也需要 用经验类比加以判断和补充。如常见公路或铁路隧道，都是选取以工程类比为主的经验设计法 来进行结构参数的拟定，可见公路或铁路隧道设计规范。但是，采用此法设计的隧道结构是不 安全的和不经济的。因为设计的隧道的地质勘探不可能做到对每一段都进行钻探，因而会出现 地质条件错误判断现象，有可能实际围岩类别比设计采用的要低，这样按高类别围岩设计出的 隧道结构是不安全的。相反，若实际围岩类别比设计采用高，则采用的设计是不经济的。 随着 NATM 的出现， 以测试为主的实用设计法为现场人员所欢迎， 因为它能提供直觉的材料， 以更准确地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。其中应用最多的是收敛―约束法，其主 要思想是：一边施工，一边进行洞周围量测，随着位移变化情况，来选用合适的隧道支护参数， 这样就可以按实际地质条件来设计隧道支护，避免了工程类比既不安全又不经济的缺点。收敛 ―约束法将支护和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，通过调整支护来控制变形， 从而最大限度地发挥了围岩自身的承载能力。采用此模型，有些问题可以使用解析法求解，但 大部分问题因数学上的困难必须依赖数值方法。 理论计算法可用于进行无经验可循的新型隧道工程设计，因此基于作用与反作用模型和连 续介质模型的计算理论成为一种特定的计算手段日益为人们重视。由于隧道工程所处环境的复 杂性，以及各种隧道设计模型各有优缺点，因此工程技术人员在设计隧道结构时，往往需要同 时进行多种设计模型的比较，以作出既经济又安全的合理设计。 从各国地下结构设计实践看，目前隧道设计主要采用两种模型。 第一种模型即为传统的结构力学模型。 它是将支护结构和围岩分开来考虑， 支护结构是承 载主体，围岩作为载荷的来源和支护结构的弹性支撑，故又称为荷载―结构模型。采用这种模 型时，认为隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的，而围岩 饿承载能力则在确定围岩压力与弹性支撑的约束能力时间接地考虑。围岩承载能力越高，它给 予支护结构的压力越小，弹性支撑的约束支护结构变形的抗力越大。这种模型主要适用于围岩 因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力情形。利用这种模型进行 隧道设计关键问题是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最重要的是围岩松动压力和 弹性支撑作用于支护结构的弹性抗力。一旦解决了这两个问题，就可以运用结构力学方法求出 朝静定体系的内力和位移。因为这种模型概念清晰，计算简便，便于被工程师接受，所以至今 很通用，特别是在模筑衬砌。 属于这种模型的计算方法有弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲 梁和圆环）法等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填、灌 浆不密实时） ，隧道结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，采用假定抗力法或弹性地基法。 第二种模型叫现代岩体力学模型。它将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 构体系，故又称为围岩―结构共同作用模型。这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构 只是用来约束和限制围岩的变形，这一点刚好与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩 变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护 结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌 与喷层等结构物，而且还包括锚杆、钢筋及钢拱架等支护在内。 围岩―结构共同作用模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为 它符合当前施工技术水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松 动压力的产生。这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特性和支护材料的非线性特性、开挖 面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等。 利用此模型进行隧道设计的关键问题是， 如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决 了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力及位移状态。 这种模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收敛―约束法图解，绝大部分隧道求解时因 数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析求解。3.1.2 隧道结构的数值计算方法通常，隧道支护结构计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维或 三维问题，并且计算还与开挖方法、支护过程有关。对于这类复杂问题，必须采用数值方法。 目前用于隧道开挖、支护过程的数值方法有：有限元法、边界元法、有限元―边界元耦合法。 其中有限元法是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧道及地下工程围岩稳定和支护 结构强度计算的有力工具。有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性以及 几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。但该法需要将整个结构系统离散化，进行相应的 插值计算，导致数据量大，精度相对底。大型通用有限元软件 ANSYS 就可用于隧道结构的数值 计算，还可以实现隧道开挖与支护以及连续开挖的模拟。 边界元法在一定程度上改进了有限元法精度，它的基本未知量只在所关心问题的边界上， 如在隧道计算时，只要对分析对象的边界作离散处理，而外围的无限域则视为无边界。但该法 要求分析区域的几何、物理必须是连续的。 有限元―边界元耦合法则使采用两种方法的长处，从而可取得良好的效果。如计算隧道结 构，对主要区域（隧道周围区域）采用 有限元法，对于隧道外部区域可按均质、线弹性模拟， 这样计算出来的结果精度一般较高。3.1.3 隧道荷载参照相关隧道设计规范，隧道设计主要考虑荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详 见表 3-2。 其中最重要的是围岩的松动压力， 支护结构的自重可按预先拟定的结构尺寸和材料重 度计算确定。在含水地层中，静水压力可按最底水位考虑。在没有仰拱结构中，车辆荷载直接第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 传给地层。 表 3-2 荷载分类 荷载名称 结构自重 结构附加恒载 永久荷载 围岩压力 土压力 混凝土收缩和徐变的影响 车辆荷载 车辆荷载引起的土压力 冲击力 可变荷载 公路活载 冻胀力 灌浆力 温差应力 施工荷载 落石冲击力 偶然荷载 地震力 附加荷载 特殊荷载 附加荷载 活载 恒载 主 要 载 荷 隧道荷载 说明3.2 隧道施工过程 ANSYS 模拟的实现3.2.1 单元生死3.2.1.1 单元生死的定义 如果模型中加入或删除材料，对应模型中的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失 的情形定义为单元生死。单元的生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活所选择单元。单 元生死功能主要用于开挖分析 （如煤矿开挖和隧道开挖等） 、 建筑物施工过程 （如近海架桥过程） 、 顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面应用（如用户可以根据已知单元位置来方 便地激活或杀死它们） 。 需要注意的是， ANSYS 单元的生死功能只适用于 ANSYS/Multiphysics ， ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structure 产品。 此外，并非所有 ANSYS 单元具有生死功能，具有此生死功能的单元 见表 3-1。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 表 3-1 ANSYS 中具有生死功能的单元 LINK1 PLANE2 BEAM3 BEAM4 SOLID5 LINK8 LINK10 LINK11 PLANE13 COMBIN14 PIPE16 PIPE17 PIPE18 MASS21 BEAM23 BEAM24 PLANE25 MA TRIX27 LINK31 LINK32 LINK33 LINK34 PLANE35 SHELL41 PLANE42 SHELL43 BEAM44 SOLID45 BEAM54 PLANE55 SHELL57 PIPE59 PIPE60 SOLID62 SHELL63 SOLID64 SOLID65 PLANE67 LINK68 SOLID69 SOLID70 MASS71 PLANE75 PLANE78 PLANE82 PLANE83 SOLID87 SOLID90 SOLID92 SHELL93 SOLID95 SOLID96 SOLID97 SOLID98 PLANE121 SOLID122 SOLID123 SHELL131 SHELL143 SURF151 SURF152 SURF153 SURF154 SHELL157 TARGE169 TARGE170 CONTA171 CONTA172 CONTA173 CONTA174 CONTA175 CONTA176 LINK180 PLANE182 PLANE183 SOLID185 SOLID186 SOLID187 BEAM188 BEAM189 SOLSH190 FOLLW201 SHELL208 SHELL209 PLANE230 SOLID231 SOLID232PIPE20 PLANE53 PLANE77 SHELL132 SHELL181 在一些情况下，单元生死状态可以根据 ANSYS 计算所得数值来决定，如温度值、应力值 等。可以利用 ETABLE 命令和 ESEL 命令来确定选择单元的相关数据，也可以改变单元的状态 （如溶解、固结、破裂等） 。这个特性对因相变引起的模型效应（如焊接过程中，结构上的可熔 材料的固结状态因焊接从不生效变成生效， 从而使模型增加了原不生效部分） 、 失效面扩展以及 其他相关分析的单元变化是很有效的。 3.2.1.2 单元生死的原理 要实现单元生死效果，ANSYS 程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度 （或传导或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子 ESTIF。因子的默认值为 10E-6，也可以 赋予其他数值。死单元的单元荷载将为 0，从而不对荷载向量生效（但任然在单元荷载列表中 出现） 。同样，死单元的质量、阻尼、比热和其他类似参数也设置为 0。死单元的质量和能量将 不包括在模型求解结果中。一旦单元被杀死，单元应变也就设为 0。 同理，当单元“出生” ，并不是将其添加到模型中去，而是重新激活它们。用户必须在前处 理器 PREP7 中创建所有单元，包括后面将要被激活的单元。在求解阶中不能生成新的单元，要 添加“一个单元，必须先杀死它，然后在合适的荷载步中重新激活它。 当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元荷载等将恢复其原始的数值。重新激活的单 元没有应变记录，也无热量存储。然而，初始应变以实参数形式输入（如 LINK1 单元）却不受 单元生死操作的影响。此外，除非打开大变形选项（NLGEOM，ON） ，一些单元类型将恢复它 们以前的几何特性（大变形效果有时了用来得到合理的结果） 。如果其承受热量体荷载，单元在第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 被激活后第一个求解过程中同样可以有热应变。根据其当前荷载步温度和参考温度计算刚被激 活单元的热应变。因此，承受热荷载的刚被激活单元是有应力的。 3.2.1.3 单元生死的使用 用户可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死功能，其在各种分析操作中的基 本过程是相同的。这个过程可包括以下 3 个步骤： 1. 建立模型 在前处理器 PREP7 中生成所有的单元，包括那些只有在以后荷载步中激活的单元。因为在 求解器中不能生成新单元。 2. 施加荷载并求解 在求解器 SOLUTION 中执行下列操作： （1）定义第一个荷载步 在第一个荷载步中，用户必须选择分析类型和所有的分析选项。可以利用命令或 GUI 方法 来指定分析类型： 命令方式：ANTYPE GUI 方式：Main Menu&Solution&Analysis Type&New Analysis 对于所有单元生死应用，在第一个荷载步中应设置，因为 ANSYS 程序不能预知 EKILL 命 令出现在后面的荷载步中。可以利用命令或 GUI 方法来完成此项设置： 命令方式：NLGEOM，ON GUI 方式：Main Menu&Solution&Analysis Options 杀死所有要加入到后续荷载步中的单元，可以利用命令或 GUI 方法来杀死单元： 命令方式：EKILL GUI 方式：Main Menu&Solution&Load Step Opts&Other&Birth&Death&Kill Elements 单元在第一个子步被杀死或激活，然后在整个荷载步中保持这种状态。作为默认刚度矩阵 的缩减因子在一些情况下不能满足要求， 此时可以采用更严格的缩减因子。 可以利用命令或 GUI 方法来完成此操作： 命令方式：ESTIF GUI 方式：Main Menu&Solution&Load Step Opts&Other&Birth&Death&StiffnessMult 不与任何激活单元相连的节点将“漂移” ，或具有浮动的自由度数值。在以下情况下，用户 可能要约束不被激活的自由度（D，CP 等）以减少要求解的方程数目，并防止出现错误条件。 当激活具有特定形状（或温度）的单元时，约束没有激活的自由度显得更为重要。因为在重新 激活单元时要删除这些人工约束，同时要删除没有激活自由度的节点荷载（也就是不与任何激 活单元相连的节点 0。同样，重新激活的自由度上必须施加节点荷载。 定义第一个荷载步命令输入示例如下： ！第一个荷载步 TIME，… NLGEOM，ON ！设定荷载步时间（静态分析选项） ！打开大变形效果第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 NROPT，FULL ESTIF，… ESEL，… EKILL，… ESEL，S，LIVE NSEL，S NSEL，INVE D，ALL， ALL，0 NSEL，ALL ESEL，ALL D，… F，… SF，… BF，… SA VE SOLVE （2）定义后续荷载步 在后续荷载步中，用户可以根据需要随意杀死或激活单元。但必须要正确地施加和删除约 束和节点荷载。 用下列命令来杀死单元： 命令方式：EKILL GUI 方式：Main Menu&Solution&Load Step Opts&Other&Birth&Death&Kill Elements 用下列命令来激活单元： 命令方式：ELIVEL GUI 方式：Main Menu&Solution&Load Step Opts&Other&Birth&Death&Active Elements !第二步或后续荷载步 TIME，… ESEL，… EKILL，…. ESEL，…. EALIVE，… …. FDELE，… D，… … F，… ！杀死所选择的单元 ！重新激活所选择单元 ！删除不活动自由度的节点荷载 !约束不活动自由度 ！给活动自由度施加合适的节点荷载 ！设定牛顿-拉夫森选项 ！设定非默认缩减因子 ！选择在本荷载步将被杀死的单元 ！杀死所选择的单元 ！选择所有活动单元 ！选择所有活动节点 ！选择所有不活动节点（不与活动单元相连的节点） ！约束所有不活动节的自由度 ！选择所有节点 ！选择所有单元 ！施加合适约束 ！施加合适的活动节点自由度荷载 ！施加合适的单元荷载 ！施加合适 的体荷载第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 DDELE，… ！删除重新激活自由度上的约束SA VE SOLVE 3. 查看结果 在大多数情况下，用户对包含生死单元进行后处理分析时因该按照标准步骤来进行操作。 必须清楚的是，尽管对刚度（传导等）矩阵的贡献可以忽略，但杀死的单元仍然在模型中。因 此，它们将包括在单元显示、输出列表等操作中。例如，由于节点结果平均时包含死单元，因 此会“污染”结果。可以忽略整个死单元的输出，因为很多项带来的效果很小。建议在单元显 示和其它后处理操作前用选择功能将死单元选出来。 3.2.1.4 单元生死的控制 1. 利用 ANSYS 结果控制单元生死 在许多时候，用户不能清楚知道要杀死和激活单元的确切位置。如，在热分析中要杀死熔 融的单元（即在模型中移去的熔化材料） ，事先不知道这些单元的位置，这时，用户就可以根据 ANSYS 计算出的温度来确定这些单元。当用户根据 ANSYS 计算结果（如温度、应力、应变） 来决定杀死或激活单元时，用户可以使用命令来识别并选择关键单元。 用下列方法识别单元： 命令方式：ETABLE GUI 方式：Main Menu&General Postproc&Element Table&Define Table 用下列方法来选择关键单元： 命令方式：ESEL GUI 方式：Utility Menu&Select&Entities 接着用户可以用 EKILL/EALIVE 命令杀死/激活所选择的单元。用户也可以用 ANSYS 的 APDL 语言编写宏来执行这些操作。 下面的例子是杀死总应变超过允许应变的单元： /SOLU ！进入求解器 ... SOLVE FINISH /POST1 SET ，... ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 FINISH /SOLU ANTYPE,,REST EKILL,ALL ！标准求解过程！进入后处理器 ！将总应变存入 ETABLE ！选择所有总应变大于或等于 0.20 的单元 ！重新进去求解器 ！重复以前的静态分析 ！杀死所选择（超过允许值）的单元第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 ESEL,ALL ... 3.2.1.5 单元生死使用提示 ！选择所有单元 ！继续求解下列提示有助于用户更好地利用 ANSYS 的单元生死功能进行分析： （1）不活动自由度上不能施加约束方程（CE，CEINTF） 。当节点不与活动单元相连时，不 活动自由度就会出现。 （2）可以通过先杀死单元，然后再激活单元来模拟应力松弛（如退火） 。 （3）在进行非线性分析时，注意不要因杀死或激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角） 或刚度突变，这样会使收敛困难。 （4）如果模型是完全线性的，也就是说除了生死单元，模型不存在接触单元或其它非线性 单元且材料是线性的， 则 ANSYS 就采用线性分析， 因此不会采用 ANSYS 默认 （SOLCONTROL， ON）非线性求解器。 （5）在进行包含单元生死的分析中， 打开全牛顿-拉夫森选项的自适应下降选项将产生很好 的效果。用下列方法来完成此操作： 命令方式：NROPT ，FULL，ON GUI 方式：Main Menu&Solution&Analysis Options （6）可以通过一个参数值来指示单元的生死状态。下面命令能得到活单元的相关参数值： *GET ，PAR，ELEM，n， A TTR，LIVE 该参数值可以用于 APDL 逻辑分支（*IF）或其它用户需要控制单元生死状态的场合。 （7）用荷载步文件求解法（LSWRITE）进行多荷载步求解时不能使用生死功能，因为生 死单元状态不会写进到荷载步文件。多荷载步生死单元分析必须采用一系列 SOLVE 命令来实 现。 此外，用户可以通过 MPCHG 命令来改变材料特性来杀死或激活单元。但这个过程要特别 小心。软件保护和限制使得杀死的单元在求解器中改变材料特性时将不生效（单元的集中力、 应变、 质量和比热等都不会自动变为 0） 。 不当的使用 MPCHG 命令可能会导致许多问题。 例如， 如果把一个单元的刚度减小到接近 0，但仍保留质量，则在有加速度或惯性效应时就会产生奇 异性。 MPCHG 命令的应用之一：模拟系列施工中使“出生”单元的应变历程保持不变。这时用 MPCHG 命令可以得到单元在变形的节点构造初始应变。3.2.2 DP 材料模型岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，这类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强 度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的 V onMise 屈服准则不适合此类材料。在土力学中，常 用的屈服准则有 Mohr-Coulomb， 另外一个更准确描述此类材料的强度准则是 Druck-Prager 屈服 准则，使用 Druck-Prager 屈服准则的材料简称为 DP 材料。在岩石、土壤的有限元分析中，采第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 用 DP 材料可以得到较精确的结果。 在 ANSYS 程序中， 就采用 Druck-Prager 屈服准则， 此屈服准则是对 Mohr-Coulomb 准则给 予近似， 以此来修正 V onMise 屈服准则， 即在 V onMises 表达式中包含一个附加项，该附加项是 考虑到静水压力可以引起岩土屈服而加入的。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使 用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈 服强度随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想塑性。并且， 它考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。??3?1 ? ? 2 ? ? 3``?? 23? D? ?1图 3-1?? 2? ?12?DDruck-Prager 屈服面Druck-Prager 屈服面在主应力空间内为一圆锥形空间曲面，在 π 平面上为圆形，如图 3-1 所示。 Druck-Prager 屈服准则表达式为：F ? ? I1 ? J 2 ? k ? 0其中：(3-1)J2 ?1? 2 2 2 ? ? ? ? ? 1? ? 2 ? ? ?? ? 2 ? ? 3 ? ?? ?3 1 ? 6? 2 2 1 2 2 2 2 ? ? ? ? x ? ? y ? ? ?? y ? ? z ? ? ?? z ? ? x ? ? 6 ?? xy ? ? yz ? ? zx ? ?? ? ? ? 6(3-2)第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析I1 ? ? 1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? ?? ?? x y z在平面应变状态下：(3-3)??sin ? 3 3 ? sin 2 ?3c cos? 3 3 ? sin 2 ?(3-4) (3-5)k?当 ? ? 0 时，Druck-Prager 屈服准则在主应力空间内切于 Mohr-Coulomb 屈服面的一个圆锥 形空间曲面；当? ? 0 时，Druck-Prager 屈服准则退化为 V onMise 屈服准则。并且 Druck-Prager 屈服准则避免了 Mohr-Coulomb 屈服面在角棱处引起的奇异点。 对于受拉破坏时：??k?对于受压破坏时：2s i n ? （ 3 3?s i n ?) 6c c o ? s 3 (3 ? s i n ?) 2 sin ? （ 3 3 ? sin ? ) 6c cos? 3 (3 ? sin ? )(3-6)(3-7)??k?(3-8)(3-9)DP 材料模型含有 3 个力学参数： ? 粘聚力 C ? ? 内摩擦角 ? 膨胀角? f这 3 个参数可通过 ANSYS 中材料数据表输入：第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 Main Menu&Preprocessor&Material Props&Material Models 执行完上面操作，弹出一个材料模型对话框，再执行： Material Models Available&Strunturer&Nonlinear&Inelastic&Non-metal Plasticity&Drucker-Prager 接着在出现的对话框输入这 3 个参数便可。 膨胀角? f 用来控制体积膨胀的大小： 当膨胀角? f =0 时， 则不会发生膨胀； 当膨胀角? f = ? 时，则发生严重的体积膨胀。 DP 材料受压屈服强度大于受拉屈服强度，如果已知单轴受拉屈服应力和单轴受压屈服应 力，则可以得到内摩擦角和粘聚力：? ? sin ?13 3? 2 ? 3?(3-10)C?? y 3 (3 ? s i n ?) 6c o s ?(3-11)其中， ? 和? y 由受压屈服应力和受拉屈服应力计算得到：??? c ?? t 3 (? c ? ? t )2? c? t 3 (? c ? ? t )(3-12)?y ?(3-13)3.2.3 初始地应力的模拟在模拟隧道施工过程中，初始地应力模拟是很重要的。在 ANSYS 中，可以有两种方法实 现初始地应力的模拟。 方法一是只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自 重应力场。这种方法简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。缺点是计算出来的应力场 与实际应力场有偏差，并且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析的后续施工时， 得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧道的开挖没有影 响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，必须减去初始位移场。 方法二是采用读起初始应力文件的方法。 在进行结构分析时， ANSYS 中可以使用读入初始 应力文件来把初始应力定义为一种荷载。因此，当具有实测初始地应力资料时，可将初始地应 力写成初始营利荷载文件， 然后作为荷载条件读入 ANSYS， 随后就可以直接进行第一步的开挖第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 计算。计算得到的应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，不需要进行加减。3.2.4开挖与支护及连续施工的实现根据 3.2.1 所介绍单元生死可以实现材料的消除与添加， 而隧道的开挖与支护正好比材料的 消除与支护，因此可以在 ANSYS 中用单元生死来实现隧道开挖与支护的模拟。隧道开挖时， 先直接选择被开挖掉的单元，然后将这些单元杀死，从而实现隧道的开挖模拟。进行隧道支护 时，先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活后，具有零应变状态，并且把 这些单元的材料属性改为支护材料的属性，这样就实现了隧道支护的模拟。 此外，单元的生死状态还可以根据 ANSYS 的计算结果（如应力或应变）来决定。例如， 在模拟过程中，用户可以将超过允许应力或允许应变的单元杀死，模拟围岩或结构的破坏。 利用 ANSYS 程序中的荷载步功能可以实现不同工况间的连续计算，从而实现对隧道连续 施工的模拟。具体可参照 3.2.1.3 单元生死使用。首先建立开挖隧道的有限元模型，包括将来要 被杀死（挖掉）和激活（支护）的部分，在 ANSYS 模拟工程不需要重新划分网格。在前一个 施工完成后，便可以直接进行下一道工序的施工，即再杀死单元（开挖）和激活单元（支护） ， 再求解，重复步骤直至施工结束。3.3ANSYS 隧道结构受力实例分析3.3.1 ANSTS 隧道结构受力分析步骤为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。由于隧道结构是 在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不同的，隧道结构的变形受到周 围岩土体本身的约束，从某种意义上讲，围岩也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部 分，因此不能完全采用地面结构受力分析方法来对隧道结构进行分析。当前，对隧道支护结构 体系一般按照荷载―结构模型进行演算，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。再借助有 限元软件（如 ANSYS）实现对隧道结构的受力分析。 ANSYS 隧道结构受力分析步骤： 1．荷载―结构模型的建立 2．创建物理环境 3．建立模型和划分网格 4．施加约束和荷载 5．求解 6．后处理（对结果进行分析）第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 3.3.1.1 荷载―结构模型的建立 本步骤不在 ANSYS 中进行， 但该步骤是进行 ANSYS 隧道结构受力分析前提。 只要在施工 过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地阻止周围岩体变形而产生松动压力，隧道 的支护结构就应该按荷载―结构模型进行验算。隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支 撑对支护结构施加约束来体现的。 本步骤主要包含 2 项内容： ? 选择荷载―结构模型 ? 计算荷载 1．选择荷载―结构模型 荷载―结构模型虽然都是以承受岩体松动、 崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征， 但对围岩与支护结构相互作用的处理上，大致有三种做法： （1）主动荷载模型 此模型不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变 形，其计算原理和地面结构一样。此模型主要适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌变形情况， 如采用明挖法施工的城市地铁工程及明洞工程。 （2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型 此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还 会对支护结构施加约束反力。因为在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生 向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就会对支护结构产生反作用力来约束它的变 形，这种反作用力称为弹性抗力。而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引 起弹性抗力，形成所谓“脱离区” 。这种模型适用于各种类型的围岩，只是所产生的弹性抗力不 同而已。该模式广泛地应用于我国铁路隧道，基于这种模式修建了好几千公里的铁路隧道，并 且在实际使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力状况。 （3）实际荷载模型 这种模型采用量测仪器实地量测到的作用在衬砌上的荷载值代替主动荷载模型中的主动荷 载。实地量测的荷载值包含围岩的主动压力和弹性抗力，是围岩与支护结构相互作用的综合反 映。切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而改善结构的受力情况。但要注意的 是，实际量测的荷载值，除与围岩特性有关外，还取决与支护结构刚度及支护结构背后回填的 质量。 2．计算荷载 目前隧道结构设计一般采用主动荷载加被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动 荷载和被动荷载，可见表 2-2。进行 ANSYS 隧道结构受力分析时，一般要进行计算以下几种隧 道荷载： （1）围岩压力 围岩压力是隧道最主要的荷载，主要根据相关隧道设计规范进行计算。对于铁路隧道，可 以根据〈 〈铁路隧道设计规范〉 〉进行计算。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 （2）支护结构自重 支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。 （3）地下水压力 在含水地层中，静水压力可按照最低水位考虑。 （4）被动荷载 被动荷载即围岩的弹性抗力，其大小常用以温克列尔假定为基础的局部变形理论来确定。 该理论认为围岩弹性抗力与围岩在该点的变形成正比，用公式表示为：? i ? K? i式中：(3-14)? i ――围岩表面上任意一点的压缩变形，单位――m；?? i ――围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位――Mpa；? K ――围岩弹性抗力系数，单位――Mpa/m。 ? 对于列车荷载、地震力等其它荷载，一般情况可以忽略不计算。 3.3.1.2 创建物理环境 在定义隧道结构受力分析问题的物理环境时，进入 ANSYS 前处理器，建立这个隧道结构 体的数学仿真模型。按照以下几个步骤来建立物理环境： 1、 设置 GUT 菜单过滤 如果你希望通过 GUI 路径来运行 ANSYS，当 ANSYS 被激活后第一件要做的事情就是选 择菜单路径：Main Menu&Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图 3-2 所示的对话框出现 后，选择 Structural。这样 ANSYS 会根据你所选择的参数来对 GUI 图形界面进行过滤，选择 Structural 以便在进行隧道结构受力分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。 2、 定义分析标题（／TITLE） 在进行分析前， 可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题， 比如 “Tunnel Support Structural Analysis ” ， 以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。 用下列方法定义 分析标题。 命令：／ TITLE GUI：Utility Menu&File&Change Title 3、 说明单元类型及其选项（KEYOPT 选项） 与 ANSYS 的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。ANSYS 软件提供了 100 种以上的 单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的 物理问题的抽象模型。例如，隧道衬砌用 beam3 梁单元来模拟，用 COMBIN14 弹簧单元模拟 围岩与结构的相互作用性，这两个单元组合起来就可以模拟隧道结构。 大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS） ，这些选项用以修正单元特性。例如，梁单元第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 beam3 有如下 KEYOPTS： KEYOPT(6) KEYOPT(9) 力和力矩输出设置 设置输出节点 I 与 J 之间点结果KEYOPT(10) 设置 SFNEAM 命令施加线性变化的表面载荷 COMBIN14 弹簧单元有如下 KEYOPTS： KEYOPT(1) 设置解类型 KEYOPT(2) 设置 1-D 自由度 KEYOPT(3) 设置 2-D 或 3-D 自由度 设置单元以及其关键选项的方式如下： 命令：ET KEYOPT GUI：Main Menu& Preprocessor& Element Type& Add/Edit/Delete图 3-2 GUI 图形界面过滤 4、设置实常数和定义单位 单元实常数和单元类型密切相关，用 R 族命令（如 R，RMODIF 等）或其相应 GUI 菜单路 径来说明。在隧道结构受力分析中，你可用实常数来定义衬砌梁单元的横截面积、惯性矩和高 度以及围岩弹性抗力系数等。当定义实常数时，要遵守如下二个规则： ? 必须按次序输入实常数。 ? 对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的 REAL 参考号） 。但 是，一个单元类型也可注明几个实常数组。命令：R第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 GUI：Main Menu& Preprocessor& Real Constants& Add/Edit/Delete ANSYS 软件没有为系统指定单位，分析时只需按照统一的单位制进行定义材料属性、几何 尺寸、载荷大小等输入数据即可。 结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是 这三个单位组成的表达方式。如标准国际单位制下，时间是秒（s ） ，长度是米（m） ，质量是千 2 克（kg） ，则导出力的单位是 kg? m/s （相当于牛顿 N） ，材料的弹性模量单位是 kg/m? s2 （相 当于帕 Pa） 。 命令：/UNITS 5、定义材料属性 大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS 程序可方便地定义各种 材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。 ANSYS 程序可定义的材料特性有以下三种： （1）线性或非线性。 （2）各向同性、正交异性或非弹性。 （3）随温度变化或不随温度变化。 隧道结构受力分析中需要定义隧道混凝土衬砌支护的材料属性：容重、弹性模量、泊松比、 凝聚力以及摩擦角。 命令：MP GUI：Main Menu&Preprocessor&Material Props&Material Models 或 Main Menu&Solution&Load Step Opts&Other&Change Mat Props&Material Models 3.3.1.3 建立模型和划分网格 创建好物理环境，就可以建立模型。在进行隧道结构受力分析时，需要建立模拟隧道衬砌 结构的梁单元和模拟隧道结构与围岩间相互作用的弹簧单元。在建立好的模型各个区域内指定 特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。 通过 GUI 为模型中的各区赋予特性： 1、选择 Main Menu& Preprocessor& Meshing& Mesh Attributes& Picked Areas 2、点击模型中要选定的区域。 3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。 4、重复以上三个步骤，直至处理完所有区域。 通过命令为模型中的各区赋予特性： ASEL（选择模型区域） MA T （说明材料号） REAL（说明实常数组号） TYPE（指定单元类型号） ESYS（说明单元坐标系号） 在进行隧道结构分析中，只需要给隧道衬砌结构指定材料号、实常数号、单元类型号和单第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 元坐标系号就可以。 3.3.1.4 施加约束和荷载 在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型 （关键点、 线、面）也可以给有限元模型（节 点和单元） 施加边界条件和荷载。 在求解时，ANSYS 程序会自动将加到实体模型上的边界条件 和载荷转递到有限元模型上。 隧道结构分析中，主要是给弹簧施加自由度约束。 命令：D 施加荷载包括重力以及隧道结构所受到的力。 3.3.1.5 求解 接着就可以进行求解， ANSYS 程序根据现有选项的设置， 从数据库获取模型和载荷信息并 进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。 命令：SOLVE GUI：Main Menu&Solution&Solve& Current LS 3.3.1.6 后处理 后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。对于隧道结构受力分析中，很重要一点就 是进入后处理器后，观察结构受力变形图，根据弹簧单元只能受压的性质，去掉受拉弹簧，再 进行求解，随后再观察结构受力变形图，看有没有受拉弹簧，如此反复，直到结构受力变形图 中无受拉弹簧为止。这时就得到隧道结构受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护 结构的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出结构的变形 图和内力图。最后按照相关设计规范进行强度和变形验算，如果不满足设计要求，提出相应的 参数修改意见，再进行新的分析。 命令：／ POST1 GUI： Main Menu& General Postproc3.3.2 实例描述选取新建铁路宜昌（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。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 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 弹性抗力系数3弹性模量 E（GPa） 1.5 30泊松比内摩擦角凝聚力 C（MPa） 0.35 2.42?Ⅳ级围岩 C30 钢筋 混凝土（ kN / m ） 22 25K （MPz/m） 300 -v0.32 0.2?（。） 29 54表 3-4 荷载计算表荷载 种类 值 围岩压力 结构自重3水压垂直匀布力 N/m802253水平匀布力 N/m16045N/m3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。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析3.3.3 GUI 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】/【ANSYS Product Launcher 】 ， 得到“10.0ANSYS Product Launcher ”对话框。 2） 选中 【File Management】 ， 在 “Working Directory” 栏输入工作目录 “D:\ansys\example301” ， 在“Job Name”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：Main Menu& Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”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： Utility Menu& File& Change Title， 在弹出的对话框中输入 “Tunnel Support Structural Analysis ” ，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： Main Menu& Preprocessor& Element Type& Add/Edit/Delete， 弹出 “Element Types”单元类型对话框，如图 3-5 所示，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types ” 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-elastic 3 ” ，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-damper 14” ，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。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 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第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 7） 定义材料属性： Main Menu& Preprocessor& Material Props& Material Models ， 弹出 “Define Material Model Behavior ”对话框，如图 3-8 所示。在右边的栏中连续双击“Structural& Linear& Elastic&Isotropic ”后，又弹出如图 3-9 所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1” 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 “Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“0.2” ， 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“Material& Exit”结束，得到结果如图 3-11 所示。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析` 图 3-11 材料属性定义结果 8）定义实常数：Main Menu& Preprocessor& Real Constants& Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants ” 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“Type 1 BEAM3” ，单击“OK”按钮，弹出如图 3-14 所示“Real Constant for BEAM3”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.” 、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第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 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“Type 1 BEAM3” ，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” 、第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 惯性矩 IZZ“0.” 、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“Type 2 Combin14” ，单击“OK”按钮， 弹出如图 3-16 所示 “Real Constant Set Number 3 for COMBIN14”对话框，在“SPRING CONSTANT ”栏后面输入“” ， 单击“OK”按钮，弹出如图 3-17 对话框，最后单击“Close”按钮图 3-16 COMBIN14 实常数后对话框图 3-17 定义完实常数后对话框第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 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：Main Menu& Preprocessor& Modeling& Create&Keypoints&In Active CS， 弹出 “Creae Keypoints in Active Cooedinate System ” 对话框， 如图 3-18 所示。 在 “NPT keypoint number ”栏后面输入“1” ，在“X，Y，Z Location in active CS”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“NPT keypoint number ”栏 后面输入“2、3、 4、5、6、7” ，在对应“X，Y，Z Location in active CS ”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：Main Menu&Preprocessor&Modeling&Create&Lines&Arcs&By End KPs & 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“Arc By End KPs & Rad ”对 话框，如图 3-22 所示。在“RAD Radius of the arc”栏后面输入弧线半径“8.13” ，单击“Apply”第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 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。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 3-23 隧道衬砌支护线模型 3）保存几何模型文件；Utility Menu& File& Save as ，弹出一个“Save Database”对话框， 在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“Support-geom.db” ，单击“OK” 。 4）给线赋予特性：Main Menu& Preprocessor& Meshing& MeshTool，弹出“MeshTool”对话 框，如图 3-24 所示。在“Element Attributes ”后面的下拉式选择栏中选择“Lines ” ，按“Set” 按钮，弹出一个“Lines Attributes ”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“Lines Attributes ” 对话框，在 “Material number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1” ， 在“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1” ，在“Element type number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1 BEAM3” 。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“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“2” ，单击“OK”按钮退出。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 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“Size controls ”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 “Element Sizes on All Selected Lines ”对话框，如图 3-26 所示。在“No of element divisions ”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“No of element divisions ”栏后面输入“2” ，线 L7 在“No of element divisions ”栏后面输入“8” 。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 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 “Pick ALL” ，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： Utility Menu& PlotCtrls& Numbering， 弹出 “Plot Numbering Controls” 对话框，如图 3-28 所示。选中“Node Numbers” 选项，后面的文字由“off”变为“on”, 单击第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 “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 ： Main Menu&Preprocessor&Modeling&Create&Piping Models&Define Pipes&Spring Support，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“Define Support Spring”对话框，如图 3-29 所示。 在图 3-29 对话框中，在“Node at spring location”栏后面输入弹簧节点位置编号“1” ，在 “Type of spring”后面的下拉选择栏中选择“Translation” ，在“Spring constant”栏后面输入弹 簧系数“” ，在“DX，DY，DZ Distance to ground pt”栏后面分别输入弹簧另一端点 的坐标值“-0.，-0.，0” ，因为是平面问题，DZ 不用输入，默认是 0。 单击“Apply”按钮（这时就生成了节点 1 的弹簧单元，编号为 25） ，又弹出一个选择节点 的对话框，和生成节点 1 位置弹簧方法一样生成其它节点的弹簧单元。只是在图 3-29 对话框中 改变节点号和改变“DX，DY，DZ Distance to ground pt”栏中值：节点 2 对应“DX，DY”为 “-0..” ，节点 3 对应“DX，DY”为“-0.，-0.1604768” ，节点 4 对应“DX，DY”为“-0.，- 0.” ，节点 5 对应“DX，DY”为“-0.， 0.” ，节点 6 对应“DX，DY”为“-0..” ，节点 7 对应“DX，DY” 为“-0..” ，节点 10 对应“DX，DY”为“0..” ，节 点 13 对应 “0.， 0.” ， 节点 12 对应 “DX， DY” 为 “0.， 0.” ，第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 节点 15 对应 “DX， DY” 为 “0.， 0.” ， 节点 16 对应 “DX， DY” 为 “0.， - 0.” ，节点 17 对应“DX，DY”为“0.，-0.1604768” ，节点 14 对应“DX， DY”为“0.，-0.” ，节点 18 对应 “DX，DY”为“0.，-0.” ， 节点 24 对应 “DX， DY” 为 “-0.， -0.” ， 节点 19 对应 “DX， DY” 为 “0.， -0.” ，节点 23 对应“DX，DY”为“-0.，-0.” ，节点 20 对应“DX， DY”为“0.，-0.” ，节点 22 对应“DX，DY”为“-0.，-0.” ， 节点 21 对应“DX，DY”为“0，-1” ，再单击“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 3-30 所示。图 3-29 定义弹簧单元对话框 注意： ? 弹簧单元长度为 1，实际上弹簧长度对计算结果没有影响。 ? 隧道顶部范围（90 度范围）为“脱离区” ，故不需要添加弹簧单元。 ? ? ? “DX，DY”是生成弹簧的另一个端点的坐标值，它是在法线方向，根据在在 CAD 图形中角度来计算。 图 3-30 中一共添加了 21 个弹簧单元， 如果有些弹簧单元根据计算结果显示是受拉的， 必须去除，再进行重新计算。 用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的 COMBIN14 弹簧单元（也叫地层弹簧） ，对其 参数设置时，只需要输入弹性常数 K，阻尼系数和非线性阻尼系数不用输入。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-30 添加弹簧单元后的单元网格图 3.3.3.3 施加约束和荷载 1） 给弹簧单元施加约束： Main Menu&Solution&Define Loads&Apply&Structural&Displacement &on Nodes ，弹出在节点上施加位移约束对话框，用鼠标选取弹簧单元最外层节点共 21 个节点， 单击“OK”按钮，弹出“Apply U,ROT on Nodes”对话框，如图 3-31 所示。图 3-31 给节点施加位移约束对话框 在图 3-31 对话框中： 在 “DOFS to be constrained” 栏后面中选取 “UX， UY” ， 在 “ Apply as ”第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 栏后面的下拉菜单中选取“Constant value” ，在“Displacement value”栏后面输入“0”值，然 后单击“OK”按钮就完成了对弹簧节点位移的约束。 2）施加重力加速度：Main Menu&Solution&Define Loads&Apply&Structural&Inertia&Gravity， 弹出 “Apply(Gravitational)Acceleration” 对话框， 如图 3-23 所示。 只需在 “Global Cartesian Y -comp” 栏后面输入重力加速度值“9.8”就可以，单击“OK”按钮，就完成了重力加速度的施加。图 3-32 施加重力加速度对话框 注意：虽然在 ANSYS 中输入的重力加速度 9.8 后，其重力加速度方向显示向上，但 ANSYS 默 认模型施加重力时，输入的重力加速度是 9.8，不是-9.8。 3）对隧道衬砌支护施加围岩压力：Main Menu&Solution&Define Loads&Apply&Structural& Force/Moment &on Nodes， 在弹出节点位置施加荷载对话框中， 用鼠标选择隧道支护线上腰部和 顶部所有节点， 弹出 “Apply F/M on Nodes ” 对话框， 如图 3-24 所示。 在 “Direction of force/mom” 栏后面下拉菜单中选取“FY” ，在“Force/Moment”栏中输入围岩垂直匀布力“-80225” 。图 3-24 施加节点力对话框 单击 “Apply”按钮， 在弹出对话框后选择隧道支护线剩下的节点， 在 “Direction of force/mom” 栏后面下拉菜单中选取“FY” ，在“Force/Moment”栏中输入围岩垂直匀布力“80225” 。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 再单击“Apply”按钮，又弹出一个节点位置施加荷载对话框，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，又弹出如图 3-24 所示的对话框， 在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FX” ，在“Force/Moment”栏中输入围岩 水平匀布力“16045” 。 再次单击“Apply”按钮，又弹出一个节点位置施加荷载对话框，用鼠标选择隧道衬砌支护 线上剩下的 12 个节点，又弹出如图 3-24 所示的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下 拉菜单中选取“FX” ，在“Force/Moment”栏中输入围岩水平匀布力“-16045” 。单击“OK“按 钮，就完成了对隧道衬砌支护施加围岩压力。图 3-25 施加约束和荷载后隧道结构模型 输入围岩垂直匀布力和水平匀布力应参考节点位置来考虑力的方向，切忌加错力的方向。 4 ） 对 隧 道 仰 拱 施 加 水 压 ： Main Menu&Solution&Define Loads&Apply&Structural& Force/Moment &on Nodes ，在弹出节点位置施加荷载对话框中，用鼠标选择隧道仰拱节点 18， 弹出如图 3-24 所示的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FX” ，在 “Force/Moment”栏中输入水平水压力“-161803” 。再次单击“Apply”按钮，又弹出一个对话 框，选择节点 18，又弹出图 3-24 的对话框，在“Direction of force/mom ”栏后面下拉菜单中选 取“FY” ，在“Force/Moment”栏中输入围岩水平匀布力“70381” ，单击“OK”按钮，就完成 了节点 18 的水压力的施加，同法对仰拱的其它节点施加水压，只是数值不同：节点 19 “FY=50101” 、 “FX=-182309” ；节点 20“FY=13093” 、 “FX=-198904” ；节点 21“FY=125960” 、 “FX=0；节点 22“FY=13093” 、 “FX=198904” ；节点 23“FY=50101” 、 “FX=-182309” ；节点 24“FY=70381” 、 “FX=-161803” 。 最后得到施加约束和荷载后隧道衬砌支护结构模型图，如图 3-25 所示。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 ? ? 将作用在衬砌上的分布荷载置换为等效节点力。 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。 ? 水压按照径向方向载置换为等效节点力，分解为水平和竖直方向加载。 3.3.3.4 求解 1）求解运算：Main Menu&Solution&Solve&Current LS，弹出一个求解选项信息和一个当前 求解载荷步对话框，如图 3-36 和图 3-37 所示，检查信息无错误后，单击“OK” ，开始求解运 算，直到出现一个“Solution is done”的提示栏，如图 3-38 所示，表示求解结束。图 3-36 求解选项信息图 3-37 当前求解载荷步对话框第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-38 求解结束提示栏 3.3.3.5 后处理（对计算结果进行分析） 1.计算分析修改模型 1 ）查看隧道衬砌支护结构变形图： Main Menu&General Postproc&Plot Results&Deformed shape，弹出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，如图 3-39 所示，选中“Def+undeformed” 并单击“OK” ，出现隧道衬砌支护结构变形图，如图 3-40 所示。图 3-39 查看变形图对话框 从图 3-40 的 初次分析隧道衬砌支护结构变形图中可以看出，弹簧 33、34、35 和 36 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 4 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：Main Menu&Preprocessor&Modeling&Delete&Elements ，弹出一个删 除单元选取对话框，选中弹簧单元 33、34、35 和 36，然后单击“OK”按钮。 再执行 Main Menu&Preprocessor&Modeling&Delete&Nodes ，弹出一个删除节点选取对话框， 选取弹簧单元 33、34、35 和 36 最外端节点，再单击“OK”按钮。 3）第 2 次求解：Main Menu&Solution&Solve&Current LS，弹出一个求解选项信息和一个当 前求解载荷步对话框，接受默认设置，单击“OK” ，开始求解运算，直到出现一个“Solution is done”的提示栏，表示求解结束。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 3-40 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图 4）查看第 2 次分析计算结构变形图：Main Menu&General Postproc&Plot Results&Deformed shape，弹出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，选中“Def+undeformed”并单击“OK” ， 出现第 2 次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。图形显示，第 2 次分析计算仍有受拉弹簧。 5）再次去掉受拉弹簧，重复 2）~4） ，直到分析计算出的隧道衬砌支护结构变形图中没有 受拉弹簧为止。 最后经过 3 次反复分析计算，终于得到没有受拉弹簧时的隧道结构模型，如图 3-41 所示。 其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形图如图 3-42 所示。 6）保存计算结果到文件：Utility Menu& File& Save as ，弹出一个“Save Database”对话框， 在“Save Database to”下面的输入栏中输入文件名“support result.db” ，单击“OK” 。 ? 进行隧道结构受力分析时，用地层弹簧来模拟围岩与结构间相互作用，在隧道顶部 90 度范围内，起变形背向地层，不受围岩的约束而自由变形，这个区域称为“脱离区”， 不需要添加弹簧单元。在隧道两侧及底部，结构产生朝向地层的变形，并受到围岩约 束阻止其变形，因而围岩对衬砌产生了弹性抗力，这个区域称为“抗力区”，需要添 加弹簧单元。 ? 进行完第一次求解后，查看结构变形图，去除受拉弹簧单元，再进行求解，再查看结 构变形图，反复进行，直到最终计算出结构变形图无受拉弹簧为止。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-41 最后隧道结构模型图图 3-42 最终隧道结构变形图 2．画出主要图形 1）绘制结构变形图：Main Menu&General Postproc&Plot Results&Deformed shape，弹出一个第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 “Plot Deformed Shape”的对话框，选中“Def+undeformed”并单击“OK” ，就得到隧道结构变 形图，如图 3-42 所示。 2） 将节点弯矩、 剪力、 轴力制表： Main Menu&General Postproc&Element Table&Define Table， 弹出一个“Element Table Data”对话框，如图 3-43 所示。单击“Add”按钮，弹出一个“Define Additional Element Table Items ”对话框，如图 3-44 所示。图 3-43 单元数据制表对话框图 3-44 定义单元数据表对话框 在图 3-44 对话框中， 在 “User label for item” 栏后面输入 “IMOMEMT ” ， 在 “Item Comp Results data item” 栏后面的左边下拉菜单中选取 “By sequence num” ， 在右栏输入 “6” ， 然后单击 “Apply” 按钮； 再次在 “User label for item”栏后面输入 “JMOMEMT ” ，在 “Item Comp Results data item ” 栏后面的左边下拉菜单中选取“By sequence num” ，在右栏输入 “12” ，然后单击“Apply”按钮； 这样同样方法依次输入“ISHEAR，2” 、 “JSHEAR，8” 、 “ ZHOULI-I，1” 、 “ZHOULI-J ，7” ，第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 最后得到定义好后的单元数据表对话框，如图 3-45 所示。图 3-45 定义好后的单元数据表对话框 3）设置弯矩分布标题：Utility Menu& File& Change title，弹出一个“Change Title”对话框， 如图 3-46 所示。在“ Enter new title ”下面的输入栏中输入文件名“ BENDING MOMENT distribution” ，单击“OK” 。图 3-46 设置标题对话框 4）画结构弯矩图：Main Menu&General Postproc&Plot Results&Contour Plot&Line Element Results，弹出一个“Plot Line-Element Results”对话框，如图 3-47 所示。在“Element table item at node I”栏后面下拉菜单选取“IMOMENT ” ，在“Element table item at node J”栏后面下拉菜 单选取“JMOMENT ” ，在“Optional scale factor”后面栏中输入“-0.8” ，在“Items to be plotted on”栏后面选中“Deformed shape” ，单击“OK”按钮，得到隧道衬砌支护结构的弯矩图，如图 3-48 所示。 5) 设置剪力分布标题：Utility Menu& File& Change title，弹出一个“Change Title”对话框。 在“Enter new title”下面的输入栏中输入文件名“SHEAR force distribution” ，单击“OK” 。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 3-47 画结构弯矩图对话框图 3-48结构弯矩图 （单位：N.m）6）画结构剪力图：Main Menu&General Postproc&Plot Results&Contour Plot&Line Element Results ，弹出一个如图 3-49 所示的对话框。在“Element table item at node I ”栏后面下拉菜单选 取“ISHEAR” ，在“Element table item at node J ”栏后面下拉菜单选取“JSHEAR” ，在“Optional第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 scale factor ”后面栏中输入“-1” ，在“Items to be plotted on”栏后面选中“Deformed shape” ， 单击“OK”按钮，得到隧道衬砌支护结构的剪力图，如图 3-50 所示。图 3-49 画结构剪力图对话框如图 3-50 结构剪力图（单位：N） 7) 设置轴力分布标题：Utility Menu& File& Change title，弹出一个“Change Title”对话框。 在“Enter new title”下面的输入栏中输入文件名“ZHOULI force distribution” ，单击“OK” 。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 8）画结构轴力图：Main Menu&General Postproc&Plot Results&Contour Plot&Line Element Results ，弹出一个对话框。在“Element table item at node I ”栏后面下拉菜单选取“ZHOULI-I” ， 在“Element table item at node J ”栏后面下拉菜单选取“ZHOULI-J ” ，在“Optional scale factor” 后面栏中输入“-0.6” ，在“Items to be plotted on”栏后面选中“Deformed shape” ，单击“OK” 按钮，得到隧道衬砌支护结构的轴力图，如图 3-51 所示。图 3-51 结构轴力图（单位：N） ? ? 输出图形设置时，输出图形比例因子 ANSYS 默认是 1，用户可以根据实际需要缩小 或放大图形输出，来满足实际需要。 ANSYS 默认输出的弯矩图与我们实际土木工程的弯矩图相反，因为土木工程规定， 当结构的哪一侧受拉时，弯矩图就应该画在哪一侧，策略是在输出图形比例因子前乘 以-1，就可以得到我们所需要的弯矩图。 ? 输出图形比例因子最好设置为绝对值小于 1 的数。 3. 列出主要数据 1）选择隧道支护线上所有节点：Utility Menu&Entities …. ，弹出一个“Select Entities ”对话 框，如图 3-52 所示。 在第一个下拉菜单选择 “Nodes” ，在第 2 个下拉菜单选择“By Num/Pick” ， 第 3 栏选中“From Full” ，单击“OK”按钮，弹出一个选择节点对话框，用鼠标选取隧道支护 线所有节点，单击“OK”按钮。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 2）选择隧道支护线上所有单元：Utility Menu&Entities …. ，弹出一个“Select Entities ”对话 框， 如图 3-53 所示。 在第一个下拉菜单选择 “Elements ” ， 在第 2 个下拉菜单选择 “By Num/Pick” ， 第 3 栏选中“Also Selected” ，单击“OK”按钮，弹出一个选择单元对话框，用鼠标选取隧道支 护线所有单元，单击“OK”按钮。图 3-52 选取节点对话框图 3-53 附加选取单元对话框3）列表显示各节点的位移：Main Menu&General Postproc&List Results&Nodal Solution，弹出 一个“List Nodal Solution”对话框， 如图 3-54 所示。 用鼠标依次单击 “Nodal Solution” 和“DOF SOLUTION” ，再选中“Displacement V ector Sum” ，然后单击“OK”按钮，弹出节点位移数据 文件。 再次执行 Main Menu&General Postproc&List Results&Nodal Solution，弹出一个“List Nodal Solution”对话框，如图 3-54 所示。用鼠标依次单击“Nodal Solution”和“DOF SOLUTION” ， 再选中“Rotation V ector Sum” ，然后单击“OK”按钮，弹出节点位移数据文件。 最后得到各节点的位移数据，如表 3-5 所示。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 3-54 列出各节点位移对话框 节点位移表 3-54）列表显示单元的弯矩、剪力和轴力：Main Menu&General Postproc&List Results&Element第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 TableData，弹出一个“List Element TableData”对话框，如图 3-55 所示。在“Item to be listed” 栏后面下拉菜单选中“IMONENT 、JMOMENT 、ISHEAR、JSHEAR、ZHOULI-I、ZHOULI-J ” ， 然后单击“OK”按钮，弹出单元数据表文件，见表 3-6。图 3-55 列出单元数据表对话框 表 3-6 单元数据表3.3.3.6 退出 ANSYS 单击工具条上的“Quit”弹出一个“Exit from ANSYS ”对话框，选取“Quit―No Save!” ， 单击“OK” ，则退出 ANSYS 软件。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析3.3.4 命令流实现（1）创建物理环境 /COM, Structural /TITLE,Tunnel Support Structural Analysis /FILNAM,support,1 ！进入前处理器 /PREP7 ！定义单元 ET,1,BEAM3 ET,2,COMBIN14 ! 定义材料属性 MP,EX,1,3E10 MP,PRXY ,1,0.2 MP,DENS,1,2500 ! 定义实常数 R,1,0.65,0.65*0.65*0.65/12,0.65, R,2,0.85,0.85*0.85*0.85/12,0.85,0,0,0, R,3,, , , （2）建立几何模型 ! 创建隧道衬砌支护关键点 K,1,,,, K,2,,3.85,, K,3,.88,5.5,, K,4,2.45,6.15,, K,5,4.02,5.5,, K,6,4.9,3.85,, K,7,4.9,0,, ! 创建隧道衬砌支护线 LARC,1,2,6,8.13, LARC,2,3,6,3.21, LARC,3,4,6,2.22, LARC,4,5,2,2.22, LARC,5,6,2,3.21, LARC,6,7,2,8.13, ! 由 2 个端点及曲率中心加半径生成弧线 ! 定义梁单元 ! 定义弹簧单元 ! 指定结构分析 ! 定义工作标题 ! 定义工作文件名! 有节点坐标生成关键点第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 LARC,7,1,4,6, ！保存几何模型 SAVE,'Support-geom','db',' E:\ansys-EX\' （3）划分网格，生成隧道衬砌支护单元 lsel,s,line,,1,6,1 LATT,1,1,1, , , , LSEL,s, , ,7 LATT,1,2,1, , , , lsel,s,line,,1,6,5 LESIZE,all,,,4, lsel,s,line,,2,5,1 LESIZE,all,,,2, lsel,s,line,,7 LESIZE,all,,,8, lsel,all Lmesh,all （4）添加弹簧单元 /PNUM,NODE,1 ！生成 24 根弹簧单元 PSPRNG,2,TRAN,,-0.., PSPRNG,3,TRAN,,-0..1604761, PSPRNG,4,TRAN,,-0.., PSPRNG,5,TRAN,,-0.., PSPRNG,6,TRAN,,-0.., PSPRNG,7,TRAN,,-0.., PSPRNG,10,TRAN,.., PSPRNG,13,TRAN,.., PSPRNG,12,TRAN,.., PSPRNG,15,TRAN,.., PSPRNG,16,TRAN,.., PSPRNG,17,TRAN,..1604768, PSPRNG,14,TRAN,.., PSPRNG,18,TRAN,.., PSPRNG,19,TRAN,..9781476, PSPRNG,20,TRAN,.., ！打开节点号开关 ！线网格划分，生成支护单元 ！设置网格划分份数为 4 ！选择线 L1、L2、L3、L4、LL5、L6 ！给所选的线赋予材料特性PSPRNG,1,TRAN,,-0.., ！添加弹簧单元 1第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 PSPRNG,21,TRAN,,-1, PSPRNG,22,TRAN,,-0.., PSPRNG,23,TRAN,,-0..9781476, PSPRNG,24,TRAN,,-0.., （5）保存模型 alls SAVE FINISH （6）施加约束和荷载 /SOL ！施加约束 NSEL,S,NODE,,25,45,1 d,all,uy,0 d,all,ux,0 ！施加重力加速度 allsel ACEL,acely,0,9.8,0, ！施加围岩压力 allsel NSEL,S,NODE,,1,17,1 F,all,FY,-80225 NSEL,S,NODE,,18,24,1 F,all,FY,80225 NSEL,S,NODE,,1,9,1 NSEL,a,NODE,,22,24,1 F,all,FX,16045 NSEL,S,NODE,,10,21,1 F,all,FX,-16045 ！给隧道仰拱施加水压 NSEL,S,NODE,,18 F,all,FX,-161803 NSEL,S,NODE,,18 F,all,FY,70381 NSEL,S,NODE,,19 F,all,FX,-182309 NSEL,S,NODE,,19 ！施加节点 18 的垂直方向的水压分力 ！施加节点 18 的水平方向的水压分力 ！施加节点 1 到节点 17 上的垂直匀布力 ！施加节点 18 到节点 24 上的水平匀布力 ！选择隧道支护线上所有节点 ！对所选择节点约束 X 方向位移 ！对所选择节点约束 Y 方向位移第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 F,all,FY,50101 NSEL,S,NODE,,20 F,all,FX,-198904 NSEL,S,NODE,,20 F,all,FY,13093 NSEL,S,NODE,,21 F,all,FX,0 NSEL,S,NODE,,21 F,all,FY,125960 NSEL,S,NODE,,22 F,all,FX,198904 NSEL,S,NODE,,22 F,all,FY,13093 NSEL,S,NODE,,23 F,all,FX,182309 NSEL,S,NODE,,19 F,all,FY,50101 NSEL,S,NODE,,24 F,all,FX,161803 NSEL,S,NODE,,18 F,all,FY,70381 （7）求解分析修改模型 ！进入求解器 allsel solve ！进入后处理器 /POST1 PLDISP,1 FINISH ！进入前处理器删除受拉弹簧单元 /PREP7 EDELE,26 NDEL,26 EDELE,30 NDEL,30 EDELE,31 ！绘制结构变形图 ！进行求解第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 NDEL,31 EDELE,32 NDEL,32 EDELE,33 NDEL,33 EDELE,34 NDEL,34 allsel solve ！保存求解结果 SAVE,'support result.db', （8）绘制最终结构变形图 /POST1 PLDISP,1 （9）制节点弯矩、剪力、轴力表 ETABLE,IMOMENT,SMISC, 6 ETABLE,JMOMENT,SMISC,12 ETABLE,ISHEAR,SMISC, 2 ETABLE,JSHEAR,SMISC, 8 ETABLE,ZHOULI-I,SMISC, 1 ETABLE,ZHOULI-J,SMISC, 7 （10）设置弯矩、剪力、轴力标题并绘制出分布图 /TITLE,BENDING MOMENT distribution ！定义弯矩分布标题 PLLS,IMOMENT,JMOMENT,-0.8,1 /TITLE,SHEAR force distribution PLLS,ISHEAR,JSHEAR,1,1 /TITLE,ZHOULI force distribution PLLS,ZHOULI-I,ZHOULI-J,-0.6,1 （11）列出节点位移 PRNSOL,U,COMP PRNSOL,ROT,COMP （12）列表显示结构的弯矩、剪力、轴力 ！绘制结构弯矩分布图 ！定义剪力分布标题 ！绘制剪力分布图 ！定义轴力分布标题 ！绘制轴力分布图 ！显示所有节点总位移矢量 ！显示所有节点总旋转位移矢量 ！制结构轴力表 ！制结构剪力表 ！进行求解！进入后处理器 ！绘制最终结构变形图 ！制结构弯矩表第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 PRETAB,IMOMENT,JMOMENT,ISHEAR,JSHEAR,ZHOULI-I,ZHOULI-J （13）完成分析退出 ANSYS FINISH /EXIT3.43.4.1 实例描述ANSYS 隧道开挖模拟实例分析选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下 方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。 主要参数如下： ? 隧道衬砌厚度为 30cm。 ? ? ? ? ? 采用 C25 钢筋混凝土为衬砌材料。 隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是 13m，隧道埋深是 80m。 溶洞近似圆型，溶洞半径是 3.6m, 溶洞与隧道距离 12.8m。 围岩材料采用 Drucker-Prager 模型。 隧道拱腰到拱顶布置 30 根 ? 25 锚杆。 表 3-7 物理力学指标名称 容重 弹性抗力系数3隧道围岩的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 3-7 所示。弹性模量 E（GPa） 3.6 29.5 泊松比 内摩擦角 凝聚力 C（MPa） 0.6 2.42?Ⅳ级围岩 C25 钢筋 混凝土 锚杆（ kN / m ） 22 25K （MPz/m） 300 -v0.32 0.15?（。） 37 5479.6-1700.3--利用 ANSYS 提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护 过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体 上。利用 ANSYS 后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道 底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析3.4.2 ANSYS 模拟施工步骤ANSYS 模拟计算范围确定原则： 通常情况下， 隧道周围大于 3 倍洞跨以外的围岩受到隧道 施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨 3 倍。但因为本实例隧道下 部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的 5 倍，隧道顶部至模型上部边界为 100 米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水 平方向长度为洞跨的 8 倍。 模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布 荷载外未受任何约束。围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元 用 LINK1 单元来模拟，二次衬砌支护用 BEAM3 来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自 重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。 ANSYS 模拟隧道施工步骤如下： 1） 建立模型。 2） 施加载荷与初始应力场模拟。 3） 开挖隧道，用杀死单元来模拟。 4） 对隧道进行支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟。 5） 做隧道仰拱。 6） 施加列车荷载。 9）计算结果分析。3.4.3 GUI 操作方法3.4.3.1 创建物理环境 1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher 】 ， 得到“10.0ANSYS Product Launcher ”对话框。 2） 选中 【File Management】 ， 在 “Working Directory” 栏输入工作目录 “D:\ansys\example302” ， 在“Job Name”栏输入文件名“Tunnel” 。 3）单击“RUN”按钮，进入 ANSYS10.0 的 GUI 操作界面。 4）过滤图形界面：Main Menu& Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”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： Utility Menu& File& Change Title， 在弹出的对话框中输入 “Tunnel Construct Modeling Analysis ” ，单击“OK” ，如图 3-55。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-55 定义工作标题 6）设定角度单位：Utility Menu& Parameters& Angular Units …，弹出“Angular Units for Parameters Functions”对话框，如图 3-56 所示。在“Units for angular ”栏后面的下拉菜单中选 取“Degrees DEG” ，单击“OK”按钮。图 3-56 定义角度单位对话框 7）定义单元类型： a. 定义 BLEAM3 单元：Main Menu& Preprocessor& Element Type& Add/Edit/Delete，弹出 “Element Types ” 单元类型对话框， 如图 3-57 所示， 单击 “Add” 按钮。 弹出 “Library of Element Types”单元类型库对话框，如图 3-58 所示，在左面滚动栏中选取“Beam” ，右边的滚动栏中选 择“2D elastic 3” 。然后单击“OK”按钮，这就定义了“BEAM3”单元。3-58 定义 Beam3 单元对话框 b. 定义 PLANE42 单元：Main Menu& Preprocessor& Element Type& Add/Edit/Delete，弹出一 个单元类型对话框，单击“Add”按钮。弹出如图 3-59 所示对话框。在该对话框左面滚动栏中 选择“Solid” ，在右边的滚动栏中选择“Quad 4node 42” ，单击“Apply” ，就定义了“PLANE42”第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 单元。图 3-59 定义 PLANE42 单元对话框图 3-57 单元类型对话框 图 3-60 定义完单元类型对话框 c. 定义 LINK1 单元： Main Menu& Preprocessor& Element Type& Add/Edit/Delete， 弹出一个单 元类型对话框，单击“Add”按钮。又弹出一个对话框，如图 3-60 所示，在该对话框左面滚动 栏中选择“Link” ，在右边的滚动栏中选择“2D Spar 1” ，单击“Apply” 。又弹出一个如图 3-61 所示的对话框。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-60 定义 LINK1 单元对话框 d.设定 PLANE42 单元选项：在图 3-61 对话框中选中“Type 2 PLANE42” ，单击“Options” 按钮， 弹出一个 “PLANE42 element Type options ” 对话框， 如图 3-62 所示。 在 “Element behavior K3”栏后面的下拉菜单中选取“Plane strain” ，其它栏后面的下拉菜单采用 ANSYS 默认设置就 可以，单击“OK”按钮。图 3-62PLANE42 单元库类型选项对话框图 3-63 BEAM3 单元库类型选项对话框 e. 设定 BEAM3 单元选项：图 3-61 对话框中选中“Type 1 BEAM3” ，单击“Options ”按钮， 弹出一个“BEAM3 element Type options ”对话框，如图 3-63 所示。在“Member force +moment第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 output K6”栏后面的下拉菜单中选取“Include output” ，其它栏后面的下拉菜单采用 ANSYS 默 认设置就可以，单击“OK”按钮。 ? ? ? ? 通过设置 PLANE42 单元选项“K3”为“Plane strain”来设定本实例分析采取平面应 变模型进行分析。 PLANE42 单元用来模拟隧道周围围岩和隧道初次衬砌。 BEAM3 单元用来模拟隧道二次衬砌。 设置 BEAM3 单元选项“K6”为“Include output”来设定输出梁内力。8）定义材料属性 a. 定义衬砌材料属性：Main Menu& Preprocessor& Material Props& Material Models ，弹出 “Define Material Model Behavior ”对话框，如图 3-64 所示。图 3-64 定义材料本构模型对话框 在图 3-64 中右边栏中连续双击“Structural& Linear& Elastic&Isotropic ”后，又弹出如图 3-65 所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1 ”对话框，在该对话框中“EX”后面的输 入栏输入“2.95E10” ，在“PRXY” 后面的输入栏输入“0.2” ， 单击“OK” 。再在选中“Density” 并双击，弹出如图 3-66 所示“Density for Material Number 1”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” ，单击“OK”按钮，返回图 3-64 对话框中。 再 次 在 图 3-64 中 右 边 的 栏 中 连 续 双 击 “ Structural&Nonlinear& Inelastic&Non-metal plasticity&drucker-prager”后，又弹出一个如图 3-67 所示对话框。在在“Cohesion”栏添入 C25 混凝土的内聚力“2.42E6” ，在“Fric Angle” 栏添入 C25 混凝土的内摩擦角“54” ，单击“OK” 按钮，弹出图 3-68 所示对话框。第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析图 3-65 线弹性材料模型对话框图 3-66 材料密度输入对话框图 3-67 定义 DP 材料对话框图 3-68 定义完衬砌材料属性后对话框第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析图 3-69 定义材料编号对话框 b.定义围岩材料属性： 在图 3-68 对话框中， 单击 “Material& New Model…” ， 弹出一个 “Define Material ID”对话框，如图 3-69 所示，在“ID”栏后面输入材料编号“2” ，单击“OK”按钮。 弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 2” ，和定义混凝土材料一 样， 在右边的栏中连续双击 “Structural& Linear& Elastic&Isotropic” 后， 又弹出一个 “Linear Isotropic Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3.69E9” ， 在 “PRXY” 后面的输入栏输入 “0.32” ， 单击 “OK” 。 再选中 “Density” 并双击， 弹出一个 “Density for Material Number 2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2200” ，再 单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。 在 弹 出 对 话 框 中 右 边 栏 中 连 续 双 击 “ Structural&Nonlinear& Inelastic&Non-metal plasticity&drucker-prager” ，又弹出一个如图 3-70 所示对话框。在在“Cohesion”栏添入 C25 混 凝土的内聚力“0.6E6” ，在“Fric Angle” 栏添入 C25 混凝土的内摩擦角“37” ，单击“OK” 按钮，弹出一个定义材料模型对话框。图 3-70 定义 DP 材料对话框 c. 定义挖去土体材料性质：方法和定义围岩材料性质一样，输入的数据一样，只是材料号 为 3，这是为后面求解便于操作。 d.定义锚杆单元材料属性：在图 3-68 对话框中，单击“Material& New Model…” ， 弹出一 个“Define Material ID”对话框，在“ID”栏后面输入材料编号“4” ，单击“OK”按钮。弹出 一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 4” ，和定义混凝土材料一样， 在右边的栏中连续双击“Structural& Linear& Elastic&Isotropic ”后，又弹出一个“Linear Isotropic第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“17E10” ， 在 “PRXY” 后面的输入栏输入 “0.3” ， 单击 “OK” 。 再选中 “Density” 并双击， 弹出一个 “Density for Material Number 2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“7960” ，再 单击“OK”按钮，弹出定义完材料模型对话框，如图 3-71 所示。图 3-71 定义完材料模型对话框 在图 3-71 对话框中，单击“Material& EXIT 退出。 ? 隧道围岩是Ⅳ 级，其弹性模量、泊松比和密度以及隧道衬砌支护材料 C25 的这些物理 力学参数是根据《铁路隧道设计规范》和现场情况得出的。 ? 把要挖去土体单独定义一个材料号，目的是为了后面求解操作方便。 9）定义实常数 a. 定义衬砌单元实常数：Main Menu& Preprocessor& Real Constants& Add/Edit/Delete，弹出 “Real Constants ” 实常数对话框，如图 3-72 所示。单击“Add”按钮，弹出如图 3-73 所示的 选择单元类型对话框， 选中 “Type 1 BEAM3” ， 单击 “OK” 按钮， 弹出如图 3-74 所示 “Real Constant for BEAM3” 对话框， 在对话框中分别输入隧道衬砌支护结构 BEAM3 梁单元的横截面