ANSYS隧道结构设计受力实例分析.doc

ANSYS隧道结构设计受力实例分析3.3 ANSYS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）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：u 选择荷载结构模型u 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。 （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： (3-14)式中： 围岩表面上任意一点的压缩变形，单位m；u 围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位Mpa；u 围岩弹性抗力系数，单位Mpa/m。u 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 MenuPreferences，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：TITLEGUI：Utility MenuFileChange Title3、 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beam3有如下KEYOPTS：KEYOPT(6) 力和力矩输出设置KEYOPT(9) 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 KEYOPTGUI：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：RGUI：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/DeleteANSYS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），质量是千克（kg），则导出力的单位是kgm/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/ms2（相当于帕Pa）。命令：/UNITS5、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：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherChange Mat PropsMaterial Models3.3.1.3 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MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas2、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）MAT （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：SOLVEGUI：Main MenuSolutionSolve Current LS3.3.1.6 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：POST1GUI： 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：u 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm。u 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。u 隧道围岩是级,洞跨是5.36米，深埋隧道。u 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K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比内摩擦角（。）凝聚力C（MPa）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。3.3.3 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:ansysexample301”，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。 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：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 ElasticIsotropic”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。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“0.022885417”、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“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”、惯性矩IZZ“0.05117833”、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“30000000”，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 CreateKeypointsIn 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 MenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsBy 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”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；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。 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”。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“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 MenuPreprocessorModelingCreatePiping ModelsDefine PipesSpring 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“300000000”，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“-0.97029572，-0.241921895，0”，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“-0.97437006，0.22495105”，节点3对应“DX，DY”为“-0.98628560，-0.1604768”，节点4对应“DX，DY”为“-0.99996192，- 0.00872654”，节点5对应“DX，DY”为“-0.98901586，0.14780941”，节点6对应“DX，DY”为“-0.70710678，0.70710678”，节点7对应“DX，DY”为“-0.88294757，0.469471561”，节点10对应“DX，DY”为“0.70710678，0.70710678”，节点13对应“0.88294757，0.469471561”，节点12对应“DX，DY”为“0.97437006，0.22495105”，节点15对应“DX，DY”为“0.98901586，0.14780941”，节点16对应“DX，DY”为“0.99996192，- 0.00872654”，节点17对应“DX，DY”为“0.98628560，-0.1604768”，节点14对应“DX，DY”为“0.97029572，-0.241921895”，节点18对应“DX，DY”为“0.30901699，-0.95105651”，节点24对应“DX，DY”为“-0.30901699，-0.95105651”，节点19对应“DX，DY”为“0.20791169，-0.97814760”，节点23对应“DX，DY”为“-0.20791169，-0.97814760”，节点20对应“DX，DY”为“0.10452846，-0.99452189”，节点22对应“DX，DY”为“-0.10452846，-0.99452189”，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。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 MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementon 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”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 MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravity，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 MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural 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”。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 MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural 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。u 将作用在衬砌上的分布荷载置换为等效节点力。u 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。u 自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。u 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 MenuSolutionSolveCurrent 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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed 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 MenuPreprocessorModelingDeleteElements，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 MenuPreprocessorModelingDeleteNodes，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 MenuSolutionSolveCurrent 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。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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed 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”。u 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。u 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。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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed shape，弹出一个“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 MenuGeneral PostprocElement TableDefine 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”，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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotLine 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”。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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotLine 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 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”。8）画结构轴力图：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotLine 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）u 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。u ANSYS默认输出的弯矩图与我们实