基于ANSYS的隧道二衬内力计算

1、基于基于ANSYS的隧道二衬内力计算的隧道二衬内力计算围岩压力围岩压力计算计算 基本概念n 地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。n 围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。n 按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。围岩位移曲线支护特性曲线围岩松动压力曲线松动压力支护特性曲线这里，我们计算松动围岩压力来作用于二衬。这里，我们计算松动围岩压力来作用于二衬。深埋隧道围岩松动压力计算 在隧道

2、工程中，计算其上作用荷载的方法与其他的结构计算中采用的方法不同，通常不能通过公式准确计算得出，在很大程度上需依靠经验数据，计算方法为现象模拟方法。 运用统计法计算，竖向均布作用为 式中 S 围岩级别 围岩重度 宽度影响系数，其值为：=1+i（B-5） B 坑道宽度 i 此处取i=0.1。 注：此公式规定应用条件限制在采用在钻爆法施工的深埋隧道，且H/B1.7的范围内（H为坑道的高度，B为坑道宽度）。 水平均布压力如下表： 表表4-2 4-2 围岩水平均布作用压力围岩水平均布作用压力浅埋隧道围岩压力计算浅埋隧道围岩压力计算 当隧道埋深h大于等效荷载高度时，随着隧道埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，

3、滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。 i) 求破裂面倾角： 式中 顶板土体两侧摩擦角； 围岩的摩擦角。 ii) 求侧压力系数： iii)求围岩垂直均布松动压力q： 式中 B 坑道跨度； h 洞顶岩体覆盖层厚度； 围岩重度。 iv) 求围岩水平均布松动压力： 水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为： 式中 H 地面到洞底岩体高度。二次衬砌支护承载比例二次衬砌支护承载比例 2010年，我国公路隧道设计细则规定双车道及三车道分离式公路隧道，利用荷载结构法计算时，初期支护与二次衬砌的支护承载比例可参考下表的规定。 取级深埋围岩压力进行二衬内力

4、计算： q=70.416 （kPa） e=0.15q=10.5624 （kPa） 按规定这里取30%的二衬承载比例，则 q=70.416 0.3=21.1248 （kPa） e=10.5624 0.3=3.1687 （kPa） 只考虑围岩压力及结构自重，采用全周弹簧模型。级围岩衬砌采用C25钢筋混凝土结构，厚35cm，容重23 ，弹性模量29.5GPa，泊松比0.2.。级围岩，取弹性抗力系数为K=800MPa/m。深埋荷载分布图深埋荷载分布图二衬内力计算二衬内力计算 一、一、AutoCAD中中操作操作 1、首先在、首先在CAD中将衬砌轮廓图画好中将衬砌轮廓图画好 2、运用boundary 命令

5、，对象类型选择面域，并选择拾取点，点击区域，使它变成面域，然后回车。或直接点击绘图面域，创建面域。 3、选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并进行保存。 ANSYS中操作中操作 1、打开ansys软件 在ansys 软件中将保存的sat文件打开，过程如图。 2、sat文件在ansys中的显示，选择front view 平面图。3、选择重新设置4、显示面域 plot areas5、删除面域。Deleteareas only 选择pick all，点击ok。6、然后重新显示线plot lines 因级围岩段无仰拱，故需删除下面横线。 7、Deletelines only 选择线 ，点击ok。

6、8、创建工作标题。 执行Filechang Title命令，输入标题。 9、选择学科范围。 Main MenuPreferencesStructural，点击OK。 10、定义单元类型 MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/ Edit/DeleteAdd，为拱形衬砌结构定义Beam3的梁单元类型。定义Beam3单元对话框单元类型对话框11、定义截面。执行Main MenuPreprocessorSectionsbeamCommon Sections命令，依次输入截面号ID为1，截面形状Sub-Type为矩形，平移截面节点的位置Offset To到Centroid

7、（质心），截面宽度1m，高度为0.35m，则截面1定义完成。12、定义实常数执行Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/DeleteAdd命令，选中Type 1 BEAM3，点击OK，面积AREAbh，惯性矩IZZ=bh3/12，高HEIGHT=h, 点击OK；13、定义材料属性：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，在对话框中选择Structural Linear ElasticIsotropic，输入弹性模量EX=29.5e9，泊松比PRXY=0.2,单击OK。再选择Str

8、ucturalDensity，输入密度DENS=2300。14单元网格划分： 执行Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool命令，在Element Attributes栏选择Lines，单击右边Set按钮，选中L1后单击OK，弹出为线分配单元属性对话框，为L1选取1号材料、1号实常数、1号单元和1号截面。单击OK回到MeshTool对话框。 单击Size Controls栏下Lines右边的Set，为线的网格划分设置单元尺寸控制参数。选中L1单击OK，在NDIV栏输入40，即一条线划分为40个单元。单击OK，回到MeshTool对话框。单击Mesh，选中L1，单

9、击OK,网格划分完毕。15、查看单元 执行PlotCtrlsNumbering命令，如图单击ok，执行plotElements命令，得单元和各自单元号。 16、查看节点 执行PlotCtrlsNumbering命令 点击OK，得到节点编号图。将划分网格后文件存盘，FileSave as命令，保存为 db格式。 17、计算主动压力产生的等效节点荷载： 执行Utility MenuList Node命令，在对话框中选择Coordinates only，查询节点坐标，并另存为文本。 通过Excel工作表将各等效节点荷载整理为命令流。小技巧：把荷载命令列、节点号列、荷载属性列、荷载大小列现在Excel

10、里编好，再另存为CSV类型，出现对话框都确定。然后用记事本打开。 18、施加等效节点荷载 将命令流粘贴到ANSYS输入窗口中，回车。单击SAVE-DB存盘。 19、施加径向弹簧 1）建立柱坐标系作为局部坐标系 执行Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt Specified Loc命令，选中圆心，单击OK，在KCN栏输入编号11（大于10）；在KCS栏选择柱坐标系代码1，ok。 2）激活局部坐标系 Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toSpecified Coord Sy

11、s命令，输入编号11. 同理整理好弹簧命令流。 其中，local表示定义局部坐标系命令；11为局部坐标系编号；1代表柱坐标系；1237.05和440.1表示设置柱坐标系的坐标原点；cysy，11表激活局部坐标系11；psprng表示建立弹簧命令；1表节点编号；tran表施加径向弹簧；400000000表示弹簧弹性系数；1表示弹簧在沿柱坐标系x方向有一个单位的长度。 将弹簧命令流输入ansys中，得下图。 20、施加约束条件 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacement on Nodes，弹出在节点上施加位移约束对话框，用鼠标选

12、取节点1和2，单击“OK”按钮，弹出“Apply U,ROT on Nodes”对话框，21、施加重力加速度：Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravity，弹出“Apply(Gravitational)Acceleration”对话框，如图所示。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22、求解运算：执行Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Anakysis命令，设置Static分析类型。执行Mai

13、n 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，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，表示求解结束。后处理 执行Main MenuGeneral PostprocRead ResultsLast Set命令，读取计算结果。 查看隧道衬砌支护结构变形图：Main Menu General PostprocPlot ResultsDeformed shape，弹出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，选中“Def+undeformed”并单击“OK”，出现

14、隧道衬砌支护结构变形图。执行Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table,定义结果显示列表， 再执行Main MenuGeneral PostprocElement TableList Elem Table,选择NI，得各单元轴力。（正值受拉，负值受压）除去受拉弹簧，则得到49-72号弹簧受拉，需去除。执行Main MenuPreprocessorModelingDeleteElements，弹出一个删除单元选取对话框（分批多次去除），执行MainMenuPreprocessorModelingDeleteNodes，弹出一个删除节点选取对话框，去除弹簧节点。再重新计算。 按照此方法，经多次试算，保证弹簧全部处受压状态。确定抗力分布范围，最终计算模型。最终计算结果显示：执行Utility MenuSelectEntities命令最终计算结果显示：执行UtilityMenuSelect E