水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟

1、 HYPERLINK l _Toc144993408 水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟 HYPERLINK l _Toc144993409 4.1数值模拟对象 HYPERLINK l _Toc144993410 4.2有限元建模 HYPERLINK l _Toc144993411 4.2.11单元定定义和材材料定义义 HYPERLINK l _Toc144993412 4.2.22实体建建模 HYPERLINK l _Toc144993413 4.2.33网格划划分 HYPERLINK l _Toc144993414 4.2.44边界条条件和初初始条件件 HYPERLINK l _Toc14

2、4993415 4.3水工工隧洞施施工过程程模拟 HYPERLINK l _Toc144993416 4.3.11初始状状态模拟拟 HYPERLINK l _Toc144993417 4.3.22毛洞开开挖工况况模拟 HYPERLINK l _Toc144993418 4.3.33毛洞支支护工况况模拟 HYPERLINK l _Toc144993419 4.3.44计算结结果查看看及处理理 HYPERLINK l _Toc144993420 4.4水工工隧洞运运行期模模拟 HYPERLINK l _Toc144993421 4.4.11运行期期内水压压力的模模拟 HYPERLINK l _To

3、c144993422 4.4.22运行期期外水压压力的模模拟水工隧洞施施工及运运行的AANSYYS模拟拟由于ANSSYS在在水利工工程中应应用面广广，可以以广泛用用于水利利工程的的各个专专业领域域中，包包括水工工隧洞、地地下厂房房、高边边坡、重重力坝、拱拱坝、截截流堰等等水工结结构；水水轮机组组的动力力分析；水文预预测以及及高速水水力学等等。基于于对ANNSYSS基本操操作的进进一步熟熟悉，并并建立对对水工结结构ANNSYSS分析的的概念，本本章以一一个典型型水工隧隧洞的开开挖过程程为例，简简单介绍绍ANSSYS在在水利工工程中的的应用，并并以此作作为初学学者的入入门实例例。数值模拟对对象对于

4、实际工工程而言言，对所所要数值值模拟对对象的熟熟悉程度度是进行行有效的的ANSSYS建建模和正正确进行行有限元元分析的的基础，熟熟悉的内内容主要要包括：研究对对象地形形地质条条件（不不同的地地质分层层、断层层、节理理、裂隙隙等）、地地层及结结构的物物理力学学参数（如如果涉及及到渗流流分析或或温度分分析，则则还需要要水力学学参数和和热力学学参数等等）、纵纵横剖面面、水文文条件以以及荷载载条件等等，以及及工程的的施工工工法，工工序安排排等，从从而为有有限元的的建模提提供前提提条件。需要注意的的是，作作为有限限元数值值模拟，只只是对实实际工程程的高度度近似，换换句话说说，不可可能达到到百分之之百的相

5、相同。因因此，对对实际工工程需要要进行一一定的简简化，否否则是无无法、也也不可能能进行数数值模拟拟的。图4-1 水工隧隧道的简简单实例例问题描述：以一个个简单隧隧洞为例例，隧洞洞内径66m，衬衬砌厚440cmm，地层层均质，隧隧洞进行行全断面面开挖，开开挖后进进行一次次性衬砌砌支护。问题抽象：从描述述中可以以分析，分分析为平平面应变变问题，问问题中涉涉及两种种材料（岩岩石和混混凝土衬衬砌），研研究区域域根据一一定的规规则选取取为1000m1000m（在在后面的的章节中中进行介介绍）矩矩形区域域，工程程分析过过程分为为3步，即即初始状状态毛洞开开挖支护。有限元建模模启动ANSSYS Proodu

6、cct LLauccherr，定义义好工作作目录和和文件名名称。建建议不同同的工程程建立不不同的工工作目录录，文件件名称尽尽量取与与工程名名称相关关且最好好包含日日期信息息，以便便日后对对计算过过程的回回顾和再再利用。如如目录取取为Shhuiggongg，文件件名取为为Tunnnell06008244，如图图4-22。然后后运行RRun（如如目录不不存在，则则会弹出出对话框框提示，直直接点击击确定，则则在相应应位置新新建，若若已存在在，则点点击Brrowsse去选选取，文文件名同同样如此此），进进入ANNSYSS主操作作界面。图4-2 工作目目录和文文件名的的定义单元定义和和材料定定义1单元定

7、定义从前面分析析中可以以看出，本本次分析析为平面面应变问问题，单单元形式式为平面面应变单单元。则则单元的的定义过过程如下下：进入前处理理状态PPrepproccesssor（在在完成网网格划分分前都不不用退出出前处理理器）；点击Eleemennt TTypeeAddd/eeditt/deelett，弹出出Eleemennt TTypee对话框框（图44-3）。图4-3 Eleemennt TTypee对话框框图4-4 Eleemennt TTypee对话框框点击增加单单元按钮钮Addd，弹出出单元类型型库对话框框Libbrarry oof EElemmentt Tyype（图图4-44）。在左

8、侧A框框中选择择Sollid，对对应在左左侧B框中选选择Quuad 4noode 42类类型，即即为平面面四边形形单元，单单元编号号默认为为1，点击击Ok退出出，则在在Eleemennt TTypee对话框框中显示示已定义义的单元元Plaane442（图图4-55）。图4-5 平面单单元的选选取图4-6 已定义义的平面面单元PPlanne422平面应变的的定义。一一般来说说，Pllanee42默默认为平平面应力力单元，因因此需要要对其进进行修改改。点击击图4-6中选选项按钮钮Opttionns，弹出出对话框框（图44-7），在在A框K3的下下拉菜单单中选择择Plaane staain项项，在B

9、B框K5项选选择Innteggrattionn ptts，点点击Okk确定，退退出到图图4-66状态。图4-7 平面应应变的定定义点击Cloose，完完成单元元定义。2材料定定义从4.1中中分析可可知，整整个分析析中涉及及到2种材料料，即围围岩体和和衬砌混混凝土（均均假定为为各向同同性材料料）。因因此需在在ANSSYS中中定义22种材料料，定义义过程如如下：点击Matteriial ProopsMatteriial Moddelss，弹出出材料模模型行为为定义框框Deffinee Maaterriall moodell beehavviorr（图4-8），左左侧列表表中默认认一种未未定义参参数

10、的材材料，这这里定义义为岩石石材料，编编号1。图4-8 材料模模型行为为定义框框双击右侧框框内的SStruuctuurall（结构构）LLineear（线线性）Elaastiic（弹弹性）Isootroopicc（各向向同性），弹弹出对于于材料11的线性性各向同同性材料料性质的的定义框框（图44-9）。图4-9 材料性性质定义义在EX框（弹弹性模量量）框中中输入44e9（单单位为PPa），Prrxy（泊泊松比）框框中输入入0.225，点点击OKK确定，退退回图44-8状状态，则则左侧框框中出现现线性各各向同性性性质项项（图44-100）；图4-100 已定定义的线线性各向向同性性性质项点击图4

11、-10右右侧框中中的密度度项Deensiity，弹弹出对话话框密度度定义对对话框，输输入24400。图4-111 密度度的定义义（通过以上上1-44步则定定义了材材料1线弹性性分析所所需的参参数，图图4-112）图4-122 已定定义的材材料1参数定义材料22（混凝凝土衬砌砌）的参参数。在在图4-12中中点击材材料MaaterriallNeew mmodeel（新新建材料料），则则左侧框框中出现现Matteriial Moddel Nummberr 2，重重复（11）（44），定定义材料料2的参数数为Exx=2ee10，Prxxy=00.1667，Denns=225000。图4-13。图4-1

12、33 材料料2（衬砌砌混凝土土）参数数的定义义在图4-112中点点击材料料MatteriialExiit退出出材料定定义，点点击或进行保保存。通过以上步步骤，则则定义了了所需的的材料，若若有更多多材料，则则重复以以上步骤骤即可，需需要注意意的是，不不同的分分析（弹弹性分析析，弹塑塑性分析析，蠕变变分析，动动力分析析）所需需的参数数是不同同的。实体建模所谓实体建建模，就就是对通通过创建建点、线线、面的的方式，在在ANSSYS实实际反映映研究对对象的体体形特征征，从而而建立网网格划分分的基础础。本实实例的最最终实体体模型包包括围岩岩区域、衬衬砌区域域（开挖挖后要回回填）、开开挖区域域（不回回填，形

13、形成隧洞洞）三个个区域，在在实体上上表现为为面Arrea。建建立面有有两种方方式，一一是通过过生成点点生成线线，再由由线生成成面，二二是直接接通过AANSYYS工具具生成面面。1通过点点、线生生成面建模过程：（1）生成成关键点点点击ModdelllinggCrreatteKKeyppoinntsIn Acttivee Css（通过过输入坐坐标直接接生成关关键点），弹弹出对话话框（图图4-114）。其其中第一一行为关关键点编编号，不不输则按按顺序系系统自动动进行编编号，第第二行为为三个方方向坐标标值，平平面问题题时则ZZ值不输输。按上述方法法依次创创建点（-50,-50），（50,-50），（5

14、0,50）和（-50,50），完成四个关键点的创建，则工作面出现4个关键点（图4-15）。图4-144 关键键点的创创建图4-155 已创创建的关关键点（2）由点点生成线线点击ModdelllinggCrreatteLLineesLLineesSStraaighht LLinee（通过过关键点点创建直直线）。弹弹出选点点建线对对话框CCreaat SStraaighht LLinee（图4-16）。先连接关键键点1和关键键2。鼠标标依次点点击1点和2点，则则生成线线1（自动动按顺序序编号为为1），按按此方法法，可以以连接点点2和3、3和4，4和1，依次次生成线线24（图4-17）。图4-166

15、 创建建直线对对话框图图4-117 创创建直线线（3）由线线生成面面点击ModdeliingCreeateeArreassArrbittrarryBBy LLinees（通通过线创创建面）。弹弹出Crreatt Arrea by Linnes（图图4-118）。依依次点击击线1、2、3、4，点击击OK，则则形成一一个矩形形面（图图4-119）。图4-188 创建建直线对对话框图图4-119 创创建面（4）创建建隧洞及及衬砌由于隧洞及及衬砌为为圆形/圆环形形，可以以通过AANSYYS的工工具直接接创建，再再通过布布尔运算算对圆进进行操作作，生成成开挖区区、衬砌砌及围岩岩区。具具体操作作如下：点击

16、ModdeliingCreeateeArreassCiirclle（圆圆形）Sollid Cirrclee（实体体圆），弹弹出实体体圆面创创建框（图图4-220），图图中的三三个输入入框中，WP X和WP Y为圆心位置（不输值时，默认圆心位置在整体坐标系的原点；若圆心位置不在整体坐标系原点，则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定）。这里，隧洞洞内径为为6m，外外径为66.4mm。在图图4-220对话话框中的的Raddiuss中输入入6，点击击Appply，创创建内圆圆；再输输入6.4，点点击OKK，创建建外圆。（点点击鼠标标右键，点点击Reeploot，可可以看到到三个有有重复区区域的面面，

17、图44-211）图4-200 创建建实体圆圆对话框框图4-221 创创建的三三个实体体圆通过上面的的操作，在在工作面面上存在在3个面Arrea，但但三个面面存在重重合，因因此，必必须对三三个面进进行布尔尔操作，形形成相互互独立但但边界连连接的三三个区域域，即围围岩区、衬衬砌区和和开挖区区。点击ModdeliingOpeeratteBBoolleannsOOverrlappArreass（对面面进行叠叠合操作作），弹弹出对话话框（图图4-222）。选选择对话话框中的的Picck AAll，对对所有的的面进行行操作，从从而形成成三个区区域。图4-222 对面面进行OOverrlapp对话框框图4-

18、223 经经过布尔尔操作的的圆面（5）精细细实体模模型经过上面的的操作，初初步形成成了实体体模型，可可以进行行网格的的自由划划分，但但这样获获得的网网格往往往没有规规律性，同同时没有有突出重重点（比比如在隧隧洞周边边的网格格需要密密一些）等等等。因因此，可可以对这这些区域域进行切切割，划划分为44个相同同且对称称的区域域。具体做法是是：在矩矩形区域域的4个线/边中点点创建44个关键键点，连连接成直直线，然然后用直直线去切切割3个面。ANSYSS操作：显示所有的的线：UUtillityy MeenuPlootLinnes；在线1的中中点创建建关键点点：ModellinggCreeateeKeyy

19、poiintssOnn Liine w/RRatiion，对对话框（图图4-224），选选择要创创建点的的线，点点击Appplyy，弹出出对话框框（图44-255），在在Linne rratiio(00-1)中输入入0.55（表示示中点），Keypoint Number默认，点击OK，即在创建了线1上的中点（图4-25），按此方法，创建其他3条边线上的中点关键点。图4-244在线的的中点创创建关键键点连接关键点点13和15，14和16，形形成2条直线线（按图图4-116图图 4-17的的方法创创建）；显示所有的的元素：Utiilitty MMenuu PPlottMullti-Ploots；对

20、3个面进进行切割割：点击ModdelllinggOpperaateBoooleaansDivvideeArrea by Linne，弹弹出对话话框Diividde AAreaa byy Liine（图图4-225），点点击Piick Alll，弹出出对话框框，再点点击Piick Alll，完成成对面域域的划分分。为了便于查查看面，将将面以颜颜色进行行区分，做做法为：Utiilitty MMenuu PPlott CttrlssNuumbeerinng，弹出出对话框框，对图图4-226中三三个框选选的部分分按图中中进行选选择，点点击OKK，即可可显示面面（图44-277）。图4-255 切割割面

21、图4-226 以以颜色显显示面设设置图4-277 以颜颜色显示示的面通过以上操操作，即即完成了了所有实实体模型型的创建建。由于于在上述述操作过过程中，可可能存在在一些重重合的元元素，必必须对此此进行处处理。在ANSYYS中的的做法是是：点击击PreeproocesssorrNuumbeerinng CCtrllsMMergge IItemms，弹弹出对话话框，选选择框中中的All（图4-28），点点击OKK；点击击PreeproocesssorrNuumbeerinng CCtrllsCComppresss NNumbberss，弹出出对话框框（图44-299），选选择Alll，点点击OKK结

22、束。图4-288 消除除重合的的点、线线、面/体图4-299 压缩缩点、线线、面的的编号（从从1开始且且编号连连续）同时，为了了以后便便于选择择，可以以通过AANSYYS的工工具创建建面的组组合，形形成围岩岩组、衬衬砌组和和开挖区区组。AANSYYS的做做法为：图4-300 选择择面设置置图4-331选择择面图4-332 选选择的围围岩区域域先只选择围围岩区域域：Uttiliity MennuSSeleectEnttitiies，弹出出对话框框（图44-300），按按图中框框选部分分进行选选择，点点击OKK；弹出出对话框框（图44-311），然然后在工工作区选选择围岩岩区（图图4-332）中中

23、的R11、R2、R3和R4，点点击OKK；显示示面，UUtillityy MeenuPlootAAreaa，即可可看到所所选择的的区域。创建组件：Utiilitty MMenuuSeelecctCCompp/AsssemmblyyCrreatte CCompponeent，弹出出对话框框（图44-333），按按框选部部分设定定，点击击OK，即即创建一一个以RROCKK命名的的组件；图4-333 创建建组件的的设置选择所有面面：Uttiliity MennuSSeleectEveerytthinng；然然后显示示所有面面：Uttiliity MennuPPlottArreass；按A中的方方法选

24、择择衬砌区区的面AAreaa（图4-33）；并按BB中的方方法定义义衬砌组组Linningg；图4-333 选择择的衬砌砌区的面面并创建建Linningg组件按C、D中中的方法法确定开开挖组件件Kaiiwa，图图4-334。图4-344 选择择的开挖挖区的面面并创建建Kaiiwa组组件查看已创建建的组件件可以通通过以下下方式进进行：Utiliity MennuSSeleectCommponnentt Maanagger，弹出出对话框框（图44-355），即即可看到到已定义义的3个组件件。图4-355 已创创建的组组件2直接生生成面以上是通过过面的下下级元素素（点和和线）来来逐步生生成面，ANS

25、YS中提供了直接创建面的方法。具体做法为：PreprroceessoorMModeelliingCreeateeArreaRecctannglee（四边边形面）By Dimension，弹出对话框（图4-36），输入相应的尺寸，创建的面与通过上述方法创建的面完全一样。图4-366 直接接生成面面下面的步骤骤同上面面方法一一致。点击或进行行保存。网格划分建立了经过过优化的的实体模模型后，即即可进行行平面网网格的划划分。1指定面面的属性性在开始划分分网格前前，必须须对面的的属性（单单元形式式和材料料号）进进行指定定，换句句话说，在在进行网网格划分分前，材材料和单单元类型型必须已已经定义义/存在。在

26、在本问题题中，隧隧洞开挖挖前，所所有的面面均属于于岩石材材料（即即材料11），因因此，指指定所有有面的属属性均为为Plaane442单元元，材料料号为11。具体体做法为为：点击MesshinngMMeshh AtttriibuttesAlll arreass，弹出出对话框框（图44-377），按框框选部分分的选择择进行设设定（材材料号11，单元元类型PPlanne422），点点击OKK，即完完成了面面的属性性指定。图4-377 面属属性的指指定2网格划划分密度度的指定定尽管可以进进行自由由划分，但但获得的的网格很很难满足足用户的的要求，因因此对于于面域，可可以通过过指定线线的划分分密度（长长度

27、或数数目）来来对面域域进行映映射划分分Mapppedd（对于于3边形映映射划分分，三条条边的数数目要相相同，且且最好为为偶数；4边形时时，对边边的划分分数目必必须相等等）。具体做法为为：A显示所所有的线线：Uttiliity MennuPPlottLiinessB指定衬衬砌及开开挖区内内线的划划分密度度点击MesshinngMMeshhingg Toool，弹弹出对话话框（图图4-338），选选择LiinessSeet，弹弹出线选选择对话话框（图图4-339），选选择衬砌砌的内外外圈（共共8条线）以以及开挖挖区4根线，点点击OKK，弹出出线划分分密度设设定对话话框（图图4-440）。线线密度的

28、的设定可可以通过过设定长长度或数数目来进进行，这这里选择择数目，本本模型中中设定为为10，点点击OKK。图4-388 线密密度划分分对话框框图4-339 选选择要设设定的线线图4-400 线密密度的指指定图4-441 衬衬砌厚度度线（圆圆圈部分分）衬砌厚度的的确定也也按上述述方法，选选择4条厚度度方向的的线，设设定数目目为2。图4-422 过渡渡线C过渡线线的设定定对图4-442中A、B、C、D四条线线而言，由由于我们们关注隧隧洞周边边，因此此，网格格密度要要大一些些，即网网格以隧隧洞为圆圆心，朝朝外侧网网格逐渐渐过渡，增增大。具具体做法法为：按B中的方方法，选选择这44条线，按按图4-43进

29、进行设定定，点击击OK，完完成设定定。需要要注意的的是，由由于线的的方向的的原因，过过渡系数数可能为为小数，也也可能为为整数，操操作时可可先试设设定，若若刚好相相反，则则取原过过渡系数数的倒数数，如试试取5，不合合适的话话，则取取1/55。图4-433 过渡渡线数目目的设定定需要说明的的是，映映射划分分一般针针对3边形或或4边形（平平面情况况），若若为5边形，则则需要另另外的映映射方法法，可按按下面的的规则进进行设定定，即把把5边形的的其中两两边假象象为一条条边，则则“变为为”四边边形，则则按四边边形划分分规则进进行设定定（也就就是说，假假象为“一一条边”的的两条线线的划分分数目和和要等于这这

30、两条线线对应的的一条边边的划分分数目，另另外两边边数目也也要相等等）。图4-444 所有有线的划划分数目目汇总3网格划划分在设定所有有线的划划分密度度后，即即可进行行网格划划分，划划分分两种情情况（先先显示为为面）：A对于33边形或或四边形形点击MesshinngMMeshhingg Toool，弹弹出对话话框（图图4-445），按按图中框框选进行行设定，点点击Meesh后后，弹出出面选择择框（图图4-446），选选择开挖挖区和衬衬砌区（3边形或四边形）的面后，点击OK，工作面显示为图4-47。图4-455 划分分工具图图4-446 面面选择框框图4-447 已已划分的的网格A对于55边形选择

31、显示面面Utiilitty MMenuuPllotAreea。点击MesshinngMMeshhingg Toool，弹弹出对话话框（图图4-448），按按图中框框选进行行设定，点点击Meesh后后，弹出出面选择择框（图图4-449），选选择且只只能选择择其中一一个面（5边形），点击OK，再选择5边形的其中4个角点（图4-50，由于假象两条线为“一条线”，因此，选择时不再选择这两条线之间的交点），即可完成5边形面的划分，图4-51。图4-488 划分分工具图图4-449 面面选择框框图4-500选择点点的顺序序图4-551 已已划分的的网格按照上面方方法划分分其余33个5边形面面的划分分，点击

32、击Utiilitty MMenuuPllotEleemennts，显显示划分分后的网网格如图图4-552。图4-522 划分分后的网网格点击或进行行保存。点击FilleSSavee ass，在弹弹出的对对话框中中，将文文件另存存为Tuunneel-mmeshh.dbb（用于于后面的的计算）。在完成有限限元网格格的划分分后，即即完成了了有限元元的建模模，可以以进行求求解。通通过下面面进入求求解模块块。Main mennuSSoluutioon。边界条件和和初始条条件1边界条条件对于水工隧隧洞的计计算区域域而言，所所选的区区域一般般进行位位移边界界约束，即即左右为为水平XX法向约约束，底底部为铅铅

33、直Y法向约约束。AANSYYS的做做法为：Definne LLoaddsAAppllySStruuctuurallDiispllaceemenntOOn NNodees（施施加在节节点上），弹弹出节点点选择对对话框，选选择Boox窗选选方式，选选择左右右边界的的节点（图图4-554），点点击OKK，弹出出对话框框（图44-555），选选择X方向约约束，点点击OKK，图4-533 节点点选择框框图4-554 被被选择的的节点图4-555 指定定约束方方向UXX图4-556 被被约束的的左右边边界同样，窗选选底部节节点，指指定UYY约束，完完成底部部边界条条件设定定。图4-577 指定定约束方方向

34、UYY图4-558 被被约束的的底部边边界2初始条条件初始条件包包括初始始应力状状态，本本问题中中主要是是自重应应力情况况，即要要设定重重力加速速度。Definne LLoaddsAAppllySStruuctuurallInnerttiaGraavittyGGlobbal，弹弹出对话话框，在在铅直YY方向输输入9.8，点点击OKK，完成成重力加加速度的的设定。图4-599 重力力加速度度的设定定点击或进行行保存。水工隧洞施施工过程程模拟在本问题，隧隧洞的施施工模拟拟包括三三个过程程，即初初始应力力状态（荷荷载步11）毛毛洞开挖挖（荷载载步2）毛毛洞支护护（荷载载步3）。本本节中按按这三个个步

35、骤进进行计算算模拟。（保保证你处处于Sooluttionn求解模模式状态态）由于在下面面的分析析中涉及及到单元元的生（开开挖）或或死（激激活，如如开挖回回填、施施作衬砌砌等），因因此必须须打开NNR模式，具具体做法法为：AAnallysiis TTypeeAnnalyysiss Opptioons（分分析选项项）（有有时在点点击Annalyysiss Tyype后后，不能能发现AAnallysiis OOptiionss，此时时可点击击SollutiionUnaabriidgeed MMenuu，即可可显示出出来），弹弹出对话话框（图图4-660），选选择Fuull N-RR选项，点点击OKK

36、即完成成设置。图4-600 Fuull N-RR的设置置初始状态模模拟初始状态是是指研究究对象所所在的地地质区域域未受人人工扰动动（开挖挖、支护护等人类类活动）之之前就已已客观存存在的状状态，包包括自重重应力场场和构造造应力场场，其中中以自重重应力场场为主。初始状态的求解过程为：A设定初初始状态态分析的的荷载步步Loaadsttep=1，具具体做法法为：点击Anaalyssis TyppeSSolConntrools，弹弹出对话话框（图图4-661），按图图中框选选设定，点点击OKK，完成成荷载步步设置；图4-611 荷载载步的设设置B求解，SolveCurrent Ls，点击OK，开始求解，

37、当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。图4-622经过上面过过程，即即完成了了初始状状态的计计算。点击或进行行保存。毛洞开挖工工况模拟拟毛洞成洞过过程实际际包括两两个部分分，即衬衬砌部分分和开挖挖后不回回填部分分，在本本步中，衬衬砌和开开挖区都都会被挖挖去，在在ANSSYS程程序中成成为“杀杀死Kiill”。具具体过程程为（显显示界面面为单元元）：A设定初初始状态态分析的的荷载步步Loaadsttep=2，具具体做法法为：点击Anaalyssis TyppeSSolConntrools，弹弹出对话话框（图图4-663），按图图中框选选设定，点点击OKK，完成成荷载步步设置；

38、图4-633 第2荷载步步的设置置B根据前前面4.2.22中创建建的三个个组件，选选择要开开挖的衬衬砌区和和开挖区区单元。点击Ulttiliity MennuSSeleectCommponnentt Maanagger，弹弹出下面面对话框框，先在在下面的的列表中中选择KKaiwwa和Linningg两个组组件，再再点击上上面的按按钮后，关关闭该对对话框。图4-644显示选择的的面Ulltillityy MeenuPlootAAreaas。然然后选择择附着于于所选面面的单元元。Ultillityy MeenuSellecttEnntittiess，在弹弹出的对对话框中中，按下下图设定定后，点点击

39、OKK，选择择显示单单元Ulltillityy MeenuPlootEElemmentt，如下图图(图4-664)，即即为本步步中要开开挖的单单元。图4-644 选择择要开挖挖的单元元C在命令令行中输输入Ekkilll,alll，杀杀死/开挖所所选的单单元。D选择全全部元素素：Uttiliitiees MMenuuSeeleccteeverrthiing；并显示示右键Repplott；E进行毛毛洞开挖挖求解SSolvveCCurrrentt Lss，点击击OK，开开始求解解，当出出现下列列界面时时，证明明求解成成功，点点击Cllosee，完成成求解。图4-655 求解解成功显示为单元元Utii

40、littiess MeenuPlootEElemmentts，点击或进行保保存。毛洞支护工工况模拟拟毛洞稳定到到一定状状态后，即即可进行行衬砌施施作，形形成隧洞洞主体结结构，有有限元对对此过程程的模拟拟过程为为（显示示为单元元Utiilittiess MeenuPlootEElemmentts）：A指定荷荷载步LLoaddsteep3；点击Anaalyssis TyppeSSolConntrools，弹弹出对话话框（图图4-666），按图图中框选选设定，点点击OKK，完成成荷载步步设置；图4-666 第3荷载步步的设置置B选择先先前设定定的衬砌砌区域/面Linningg及相应应附着在在面上的的

41、单元；点击Ulttiliity MennuSSeleectCommponnentt Maanagger，弹弹出下面面对话框框，先在在下面的的列表中中选择LLiniing两两个组件件，再点点击上面面的按钮钮后，关关闭该对对话框。图4-644 选择择衬砌区区域显示选择的的面Ulltillityy MeenuPlootAAreaa。然后后选择附附着于所所选面的的单元。Ultillityy MeenuSellecttEnntittiess，在弹弹出的对对话框中中，按下下图设定定后，点点击OKK，选择择显示单单元Ulltillityy MeenuPlootEElemmentt，如下图图(图4-664)，

42、即即为本步步中要开开挖的单单元。图4-644 选择择要开挖挖的单元元C激活所所选的衬衬砌单元元，在命命令行输输入Eaalivve,aall，激激活/施作衬衬砌区单元；4、由于原原来的衬衬砌部分分设定为为岩石材材料，因因此需要要改变衬衬砌单元元材料属属性为混混凝土属属性，具具体为：选定衬衬砌单元元，SooluttionnLoaad sstepp opptsOthherChaangee maat pproppsChaangee maat nnum/弹出菜菜单，材材料编号号改为22：图4-677 衬砌砌材料性性质的改改变D选择全全部元素素：Uttiliitiees MMenuuSeeleccteev

43、errthiing；并显示示右键Repplott；E进行衬衬砌支护护后的求求解SoolveeCuurreent Ls，点点击OKK，开始始求解，当当出现下下列界面面时，证证明求解解成功，点点击Cllosee，完成成求解。图4-688 求解解成功显示为单元元Utiilittiess MeenuPlootEElemmentts，点击或进行保保存。计算结果查查看及处处理通过以上分分析，对对水工隧隧洞施工工期围岩岩及衬砌砌结构的的应力、变变形规律律进行了了简单的的数值模模拟，下下面就数数值模拟拟的结果果进行简简单的查查看与处处理。首首先通过过以下过过程进入入通用后后处理模模块：MMainn Meenu

44、Genneraal PPosttprooc。所所有的后后处理操操作都必必须在后后处理状状态中。1计算结结果的读读取首先查看计计算荷载载步的情情况：GGeneerall PoostPProRessultts SSummmaryy，弹出出对话框框。图4-699 计算算结果汇汇总图4-669 结结果读取取方式计算结果的的读取可可以通过过多种方方式，以以By Picck为例例：点击Reaad RResuultssByy Piick，弹弹出菜单单后，选选择某荷荷载步，点点击Reead（读读取）Cloose即即可。图4-700 通过过By Picck读取取结果2计算结结果的查查看在读取某荷荷载步的的结果后

45、后，就可可以对某某荷载步步下的结结果进行行绘图或或文本列列表。计计算结果果分两种种：节点点解和单单元解。节点解：Ploot RResuultssCooutoour Ploot（绘绘制等值值线）Noddal Sollu（节节点解）Listt ReesulltsNoddal Sollutiion（列列表结果果）单元解：Ploot RResuultssCooutoour Ploot（绘绘制等值值线）Eleemennt SSoluu（单元元解）Listt ReesulltsEleemennt SSoluutioon（列列表结果果）以荷载步22（毛洞洞开挖工工况）的的结果为为例：（首先对开开挖掉的的单元

46、不不选择显显示，先先选择组组件，然然后选择择附着在在上面的的单元，开开挖掉的的单元就就不显示示了）A绘制节节点位移移UY点击Ploot RResuultssCooutoour PlootNNodaal SSoluu，弹出出的对话话框中，选选择Doof SSoluutioonY-CCompponeent of Dissplaacemmentt，并作作相应设设置后，绘绘出UYY等值线线图（如如图4-71）。图4-711 绘制制UY位移移分量等等值线图图同理可以绘绘制UXX和合位位移。B绘制节节点应力力向量点击Ploot RResuultssCooutoour PlootNNodaal SSoluu

47、，弹出出的对话话框中，选选择SttresssY-CCompponeent of Strresss，并作作相应设设置后，绘绘出SYY等值线线图（如如图4-72），可可看到两两侧洞壁壁出现最最大的竖竖直方向向压应力力。图4-722 绘制制SY位移移分量等等值线图图同理可以绘绘制其它它应力分分量，包包括第11主应力力（1sst PPriccinppal Strresss）和第第3主应力力（3sst PPriccinppal Strresss）注意：ANNSYSS的应力力大小与与方向规规定和材材料力学学规定相相同，与与我们工工程上的的规定刚刚好相反反，也就就是说AANSYYS中第第1主应力力实际为为工

48、程上上应用的的最小主主应力，第第3主应力力实际为为工程上上应用的的最大主主应力。若要绘制某某些特定定部位的的计算结结果，则则只需选选定关注注区域的的单元进进行绘制制即可。若要对比开开挖前后后的变形形图，则则在对话话框中选选择变形形后图形形同时显显示变形形前边界界。图4-733 绘制制变形前前后对比比图3荷载工工况组合合在前面的分分析中，隧隧洞的开开挖经历历了3个步骤骤，在每每一步的的分析中中均包含含了自重重应力和和自重位位移，对对于应力力而言，我我们不仅仅关注自自重应力力，同时时关注开开挖后的的附加应应力和二二次应力力；而对对于位移移，自重重位移实实际是不不存在的的（经过过几百万万年的稳稳定后

49、，位位移基本本消失），因因此对于于开挖而而言，我我们更关关注于附附加位移移，这就就涉及到到荷载工工况之间间的逻辑辑运算（加加或减）的的问题，也也就是荷荷载工况况组合。在在本问题题中，评评价开挖挖引起的的位移或或应力时时，就必必须“减减掉”自自重位移移或位移移，即荷荷载步22要减去去荷载步步1；而在在评价衬衬砌施作作引起的的附加应应力或位位移时，则则必须减减去开挖挖和自重重引起的的位移或或应力，即即荷载步步3要减去去荷载步步2。荷载载工况的的定义和和运算做做法为：A定义荷荷载工况况：Geenerral PosstprrocLoaad CCaseeCrreatt Looad Casse，弹出出对话

50、框框中，选选择从结结果文件件Ressultts FFilees创建建荷载工工况，图4-744 定义义荷载步步1为荷载载工况11同理分别定定义荷载载步2为荷载载工况22（图4-75），荷荷载步33为荷载载工况33（图4-76）。图4-755 定义义荷载步步2为荷载载工况22图4-766 定义义荷载步步3为荷载载工况33当要分析开开挖引起起的附加加位移和和应力或或其它参参量时，则则要减去去初始状状况的位位移和应应力，即即用荷载载工况22“减去去”荷载载工况11，做法法为：A读取荷荷载工况况2（图4-77）Load CasseRReadd Looad Casse，在弹弹出的对对话框中中，输入入2，点

51、击击OK；图4-777 读取取荷载工工况B减去荷荷载工况况1（图4-78）Load CasseSSubttracct，图4-788 减去去荷载工工况重新绘制UUY方向向的附加加位移，则则图形变变为图44-799，隧洞洞顶部发发生向下下位移，而而隧洞底底部发生生向上的的回弹位位移。附附加的最最大压应应力变为为图4-80，隧隧洞底部部和顶部部发生拉拉应力，两两侧发生生最大压压应力。图4-799 附加加竖直UUY位移移图4-880 附附加最大大主应力力4路径操操作对于实际工工程而言言，我们们可能关关注于应应力或位位移在某某些区域域或范围围内的变变化趋势势，这就就需要用用到ANNSYSS的路径径操作。

52、以以本问题题为例，如如果我们们需要知知道应力力或围岩岩沿径向向的变化化趋势，则则可按下下面步骤骤进行操操作：A定义路路径Generral PosstprrocPatth OOperratiionssDeefinne PPathhByy noodess（通过过节点定定义），弹出出节点选选择对话话框，依依次选择择路径上上的节点点（图44-811），点点击OKK，弹出出对话框框（图44-811），定定义路径径的名称称为XXX，图4-811 路径径的定义义B映射数数据到指指定路径径Path OpeerattionnsMMap Ontto PPathh，弹出出对话框框，指定定需要映映射的参参量，如如UX

53、，UY，SX，SY，S1，S3等，如如图4-82。图4-822 映射射数据C绘制指指定参量量沿路径径的变化化曲线Path OpeerattionnsPPlott Paath IteemOOn GGrapph，在弹弹出的对对话框中中，选择择要绘制制的变化化曲线（可可以多选选，但最最好位移移和应力力要分开开），图图4-882。图4-822 绘制制位移沿沿路径XX的编编号曲线线图4-833 绘制制主应力力沿路径径XX的编编号曲线线水工隧洞运运行期模模拟前面对水工工隧洞施施工期的的开挖过过程进行行了简单单的模拟拟，分析析了开挖挖过程围围岩及衬衬砌结构构的应力力应变规规律。本本节对水水工隧洞洞在运行行期

54、，受受内、外外水压力力作用下下的衬砌砌变形及及应力规规律。运行期内水水压力的的模拟对于隧洞的的内水压压力，需需要区别别无压隧隧洞和有有压隧道道（图44-844）。因此此，施加加内水压压力分为为有压和和无压两两种情况况，有限限元模型型采用与与前面开开挖支护护后的隧隧洞，并并进入求求解状态态Sollutiion。A有压隧隧洞B无压隧洞洞图4-844 无压压和有压压隧洞1有压隧隧洞有压隧洞情情况下，作作用与隧隧洞衬砌砌内表面面的水压压力可认认为是常常量，可可以通过过ANSSYS施施加Prresssuree命令，直直接进行行施加。A选定衬衬砌单元元且选择择附着于于单元的的节点由于衬砌材材料号为为2，因

55、此此通过如如下方式式进行选选择。Utiliitiees MMenuuSeelecctEEnittiess，在弹弹出的对对话框中中，选择择EleemenntBy AtttribbuteesMatteriial Numm，在Miin,MMax,Incc空白框框中输入入2，点击击AppplyPlootOK。选择附着于于衬砌单单元上的的节点。Utiliitiees MMenuuSeelecctEEnittiess，在弹弹出的对对话框中中，选择择NoddesAtttachhed toEleemennt，点点击AppplyyPlootOK。图4-855 选择择衬砌单单元图4-886选择择附着于于衬砌单单元

56、的节节点B选择所所有衬砌砌内表面面节点并并施加水水压力SoluttionnDeefinne LLoaddsAAppllySStruuctuurallPrresssureeOnn noodess，在弹弹出的对对话框中中，采用用圆形CCirccle选选择方式式（图44-877），选选择所有有的衬砌砌内表面面节点，点点击OKK，在弹弹出的对对话框中中，输入入内水压压力1ee6，点点击OKK完成水水压力设设定（图图4-888）。图4-877圆形选选择方式式图4-888 设设定内水水压力此时，施加加的水压压力表现现为一条条线，这这里可以以通过设设置，将将Preessuure以以箭头AArroow表示示。Utiliitiees MMenuuPllotCCtlssSyymbool，在弹