ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用 2

水工与施工 西北水电 2004 年 第 1 期 文章编号 1006 2610 2004 01 0015 03 15 AN SYS 在隧道衬砌结构分析中的应用 石广斌 国家电力公司西北勘测设计研究院 西安 710065 关键词 局部变形理论 隧道衬砌 AN SY S 稳定分析 边值法 摘 要 根据局部变形理论 把隧道衬砌简化成合理的 计算力学模型 在 A NSY S 数值模拟 环境中 按边值法的分析 思路 对其进行结构分析 该数值分析结果已得到了边值法验证 是可行的 中图分类号 T V 672 1 文献标识码 B Application of ANSYS in structural analysis of tunnel lining SHI Guang bin China Hydr o No rt hw est Invest igat ion Design t unnel lining ANSYS stability analysis method of bound Abstract F ollo wing t he l ocal defo rmat ion t heor y tunnel lining is simplif ied t o a reaso nable co mput at io nal mechanics model In t he enviro nm ent of ANASYS dig it al mo delling it s st ruct ural analy sis is carried out in line wit h t he co ncept of method of bound T he results of digit al analy sis hav e been v erif ied by t he met ho d of bound and are pr act ical 目前 用于水工 铁路 公路 矿山隧洞以及城市 地下空间结构等衬砌的内力计算方法大致可以分为 3 大类 第一 类是 基于地 层压力理论的 荷载结构 法 第二类是 基于地层应力理论的地层结构法 第 三类是 基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的 收敛限制法 2 类方法 由于存在较多的随机因素后 和对操作人员要求较高等原因 一般很少被工程设 计人员所采用 而第一类方法 计算参数内涵简单而 明了 所涉及的不确定因素相对较少 常常易被设计 人员所接受 事实上 在工程中应用最多最普遍的方 法也是第一类荷载结构法 过去分析衬砌的结构常 用规范 推荐的结构力学法 其实随着有限元计算 方法和技术的提高 某些方法的分析思路可以在数 值模拟环境中实现 如规范中的边值法就可行 下面 就阐述该过程及其在某穿山隧道衬砌结构分析中的 应用 1 2 3 3 1 数值模拟方案 根据局部变形理论 隧道的衬砌结构强度分析 可以简化为图 1 所示的内力计算力学模型 该力学 模型可以在西北勘测设计研究院引进的大型有限元 程序 ANSYS 上实现平面和三维内力或应力计算 若用平面有限元计算 可以用 AN SYS 单元库里的 梁 单 元 BEAM 3 或 平 面 实 体 单 元 P L AN2 和 P L AN42 来模拟衬砌 若用三维有 限元计算 可以 用 ANSYS 单 元 库 里 的 壳 单 元 SHELL 63 或 SHEL L 93 来 模 拟 衬 砌 也 可 用 三 维 实 体 单 元 SOL ID45 等来模拟衬砌 如果用实体单元 P L AN2 或 SOLID 45 等来模拟衬砌 配 筋时可按应力 法配 筋 也可把应力转化为内力 再用内力配筋 文章只 介绍用梁单元计算衬砌内力结果 图 1 力学模型中 的弹性支座施加的位置是依据隧洞轮廓变形趋势 通常方法是在拱座附近和直墙段加若干 个弹性支 座 并且设法保证所施加的弹性支座始终处于受压 收稿日期 2003 06 29 作者简介 石广斌 1968 男 安徽省和县人 工程硕 士 工程 师 现主要从事水工结构和岩土工程设计与计算方法研究 状态 即不考虑衬砌与围岩壁的粘结力 而不能处 于受拉状态 从而实现围岩只贡献弹性抗力的功能 根据笔者经验 一般情况下 也即无内水压力的情况 16石广斌 ANSYS 在隧道衬砌结构分析中的应用 力绝对差值为边值法计算值的 2 58 若边值法计 算结果是 真解 那么如此小的计算误差是完全满 足工程要求的 即在数值模拟环境中可以按规范中 边值法的解题方法实现衬砌结构的内力计算 表 1 内力计算结果对 比表 A NSY S 边值法 内力 弯矩 kN m 轴力 kN 部 位 拱顶 1200 4 1188 7 160 9 163 9 拱腰 1480 0 1513 8 200 2 205 5 直墙 1311 6 1324 8 196 9 199 0 下 只在拱角处施加一个弹性支座或弹性约束即可 满足内力计算精度要求 3 衬砌内力分析与配筋 通过对图 1 的力学模型按水工隧洞设计规范 进行运行期与施工期 2 种工况计算分析得出 施工 期是顶拱衬砌稳定控制工况 其中拱腰 位于拱座与 拱顶 之 间 弯 矩 最 大 值 达 215 kN m 轴 力 达 3 326 5 kN 运行期是直墙衬砌稳定控制工况 弯矩 图 1 衬砌内力计算力学模型 最大值达 196 9 kN m 轴力达 1 311 6 kN 由应 力分布图 2 和图 3 可以看出 顶拱段衬砌在施工期 最大拉应力为 0 88 M P a 在运行期 无拉应力出现 直墙段衬砌在运行期由于承受侧向围岩压力的作用 而在内缘出现 2 11 M Pa 的拉应力 但在施工期 虽 然弯矩比运行期弯矩大 见表 2 但由于施工期拱 顶的灌浆压力在直墙上产生较大的轴向压力 从而 削弱了弯矩在衬砌内缘产生的拉应力 2 计算结果验证 为了验证图 1 力学模型在 ANSYS 数值模拟环 境中计算内力的准确性 用文献 3 中的边值法对图 1 力学模型进行了对比计算 如某穿山隧道工程 隧 道衬砌体形为 衬砌厚 0 6 m 直墙高 4 m 拱高 h 3 m 半跨 a 6 m 岩体为 类围岩 岩体变形模量 E 5 GPa 泊松比 L 0 3 单位弹性抗力系数 K 0 3 GP a m 岩体坚固系数 f 4 作用在衬砌上的外 力有结构自重 地层压力 灌浆压力 外水压力 图 1 中地层压力按普式山岩压力理论计算 具体计算公 式如下 p V Ch0 E1 C 2 45 U 2 h0tg E2 C h0 H tg 2 45 U 2 2 1 2 3 图 2 衬砌运行期环向应力分布灰 度图 单位 10kP a PH C 2h0 H t g 45 U 2 2 4 H h0 a H t g 45 U 2 f 5 式中 P V 为围岩垂直压力 kP a C 为围岩容重 kN 3m h 0 为压力拱高 m E 1 2 为上部和下部围岩水E 平压力 kPa U 为岩体内摩擦角 H 为巷道掘进 高度 m PH 为围岩水平总侧压力 kN a 为隧洞半 跨 m f 为岩石普氏坚固性系数 表 1 给出用 ANSYS 和边值法计算隧道运行期 工况衬砌内力结果 由表 1 可以得出 2 种方法计算 出的弯矩绝对差值 为边值法计算值的 2 23 轴 图 3 衬砌施工期环向应力分布灰 度图 单位 10kP a ANSYS 中可以给出梁单元和壳单元计算结构 的内力分布和大小 但没有配筋计算功能 因此 用 西北水电 2004 年 第 1 期 ANSYS 计算出隧道衬砌结构在施工期和运行期等 各工况下的内力 还必须把计算出的内力代入专用 配筋计算后处理程序 根据内力的表现形态 依据文 献 4 选择适合的配筋计算公式 即可计算出结构配 筋面积 本工程衬砌内力及配筋结果如表 2 表 2 内力及配筋计算结果表 部位 拱顶 拱腰 直墙 计算工况 施工期 运行期 施工期 运行期 施工期 运行期 配筋内力 弯矩 kN m 169 5 160 9 215 0 200 2 184 7 196 9 轴力 kN 3014 4 1200 4 3326 5 1480 0 2770 3 1311 6 配筋面积 cm 2 1398 470 2145 748 1340 1432 17 元 平面实体单元 三维实体单元数值模拟技术 按 边值法的分析思路 实现隧道衬砌内力或应力计算 其计算精度不仅可靠 而且过程简单明了 并且避免 了用结构力学法计算时在拱座等处出现内力集中的 缺点 用该方法还有一个优点 即可以清楚看出隧道 衬砌变形和应力分布 但该方法也有不足之处 即需 要操作者有丰富的有限元分析和模型效验的经验 参考文献 1 孙均 侯学 渊 地下结 构工程 M 北京 科学 技术出 版社 1987 2 徐干成 白洪才 郑 颖人 等 地下工程 支护结构 M 北京 中 国水利水电出版社 2002 3 S D134 84 水工隧洞设计规范 S 4 D L T 5057 1996 水工混凝土结构设计规范 S 4 结 语 通过 验证 可 以用 ANSYS 中的 梁单元 壳单 上接第 3 页 计算结果表明 尽管大型水库对个别年份的洪 水影响较大 但对设计洪水计算成果影响并不明显 这主要是由于在设计计算时 P 型曲线的适线 受 1911 1898 和 1933 年等未受人类活动影响的大 水年控制 个别中小量级的洪水所受水库的影响 在 长系列计算中基本可忽略不计 故可以认为 渭河流 域大型水库对设计洪水计算成果影响不大 上地区的较大洪水 水库的影响较为明显 如渭河咸 阳站 1981 年 8 月典型 其对洪水的削减 作用可达 10 15 而对洪水主要来源于非大型水库控制 的地区 如渭河咸阳站 1954 年 8 月典型 其对洪水 的削减作用仅为 2 4 因此 受暴雨时空分布 等不确定性因素影响 在设计条件下考虑水库的影 响是具有一定风险的 5 结 论 渭河流域人类活动目前已具有一定规模 根据 对流域内水利水保工程的调查分析 其产汇关系无 明显趋势性变化 只是个别年份的洪水由于主要来 源于大型水库所控制的地区 受水库工程影响较为 明显 从设计洪水的计算结果来看 采用实测洪水系 列与还原后的天然洪水系列相比 各频率洪峰 洪量 计算成果相差约 5 而且遇超标准洪水还有溃坝 的可能 说明水库工程及水保措施对设计洪水计算 成果影响不大 在设计条件下 受暴雨时空分布等不确定性因 素影响 从工程规划设计的安全角度考虑 渭河流域 设计洪水可基本不再考虑水利水保工程的影响 4 设计条件下大型水库对洪水的影响 分析 渭河流域由于其下垫面条件的复杂性和人类活 动的多样性以及降水时空分布的不均匀性 给流域 洪水形成和变化规律研究带来较大困难 尤其是对 于不同类型暴雨条件下产生的设计洪水 受人类活 动影响更是难以定量估算 利用流域水文模型分析水库工程对不同典型的 设计暴雨条件下产生的洪水影响 可有效解决这一 技术难点 该方法研究思路是 构建适合本流域的水文模 型 并利用实测资料率定模型参数 然后 推求设计 暴雨 采用不同典型暴雨进行时空分配 最后 利用 模型分别按不考虑水库防洪作