基于ANSYS的隧道二衬内力计算

基于ANSYS的隧道二衬内力计算围岩压力计算

基本概念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。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。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。深埋隧道围岩松动压力计算

在隧道工程中，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

γ——围岩重度

ω——宽度影响系数，其值为：ω=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/B＜1.7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4-2围岩水平均布作用压力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，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β：式中θ—顶板土体两侧摩擦角；

—围岩的摩擦角。

ii)求侧压力系数λ：

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；

γ—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Ⅲ级深埋围岩压力进行二衬内力计算：q=70.416（kPa）e=0.15×q=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。Ⅲ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.。Ⅲ级围岩，取弹性抗力系数为K=800MPa/m。深埋荷荷载分分布图图二衬内内力计计算一、AutoCAD中操作1、首先先在CAD中将衬衬砌轮轮廓图图画好好2、运用用boundary命令，，对象象类型型选择择面域域，并并选择择拾取取点，，点击击区域域，使使它变变成面面域，，然后后回车车。或或直接接点击击绘图图〉面域，，创建建面域域。3、选择择文件件菜单单，将将文件件输出出成SAT文件类类型并并进行行保存存。ANSYS中操作作1、打开开ansys软件在ansys软件中中将保保存的的sat文件打打开，，过程程如图图。2、sat文件在在ansys中的显显示，，选择择frontview平面图图。3、选择择重新新设置置4、显示示面域域plot→→areas5、删除除面域域。Delete→→areasonly选择pickall，点击击ok。6、然后后重新新显示示线plot→→lines因Ⅲ级围岩岩段无无仰拱拱，故故需删删除下下面横横线。。7、Delete→→linesonly选择线线，点击击ok。8、创建建工作作标题题。执行File>changTitle命令，，输入入标题题。9、选择择学科科范围围。MainMenu>Preferences>Structural，点击击OK。10、定义义单元元类型型MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add，为拱拱形衬衬砌结结构定定义Beam3的梁单单元类类型。。定义Beam3单元对对话框框单元类类型对对话框框11、定义义截面面。执行MainMenu>Preprocessor>Sections>beam>CommonSections命令，，依次次输入入截面面号ID为1，截面面形状状Sub-Type为矩形形，平平移截截面节节点的的位置置OffsetTo到Centroid（质心心），，截面面宽度度1m，高度度为0.35m，则截截面1定义完完成。。12、定义义实常常数执行MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add命令，，选中中Type1BEAM3，点击击OK，面积AREA＝bh，惯性矩矩IZZ=bh3/12，高HEIGHT=h,点击OK；13、定义材料属性：：MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，在对话框中选选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic，输入弹性模量量EX=29.5e9，泊松比PRXY=0.2,单击OK。再选择Structural>Density，输入密度DENS=2300。14单元网格划分：：执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令，在ElementAttributes栏选择Lines，单击右边Set按钮，选中L1后单击OK，弹出为线分配配单元属性对话话框，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SizeControls栏下Lines右边的Set，为线的网格划划分设置单元尺尺寸控制参数。。选中L1单击OK，在NDIV栏输入40，即一条线划分分为40个单元。单击OK，回到MeshTool对话框。单击Mesh，选中L1，单击OK,网格划分完毕。。15、查看单元执行PlotCtrls>Numbering命令，如图单击ok，执行plot>Elements命令，得单元和和各自单元号。。16、查看节点执行PlotCtrls>Numbering命令点击OK，得到节点编号号图。将划分网格后文文件存盘，File>Saveas命令，保存为db格式。17、计算主动压力力产生的等效节节点荷载：执行UtilityMenu>List>Node命令，在对话框框中选择Coordinatesonly，查询节点坐标标，并另存为文文本。通过Excel工作表将各等效效节点荷载整理理为命令流。小技巧：把荷载载命令列、节点点号列、荷载属属性列、荷载大大小列现在Excel里编好，再另存存为CSV类型，出现对话话框都确定。然然后用记事本打打开。18、施加等效节点点荷载将命令流粘贴到到ANSYS输入窗口中，回回车。单击SAVE-DB存盘。19、施加径向弹簧簧1）建立柱坐标系系作为局部坐标标系执行UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>CreatLocalCS>AtSpecifiedLoc命令，选中圆心心，单击OK，在KCN栏输入编号11（大于10）；在KCS栏选择柱坐标系系代码1，ok。2）激活局部坐标标系UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>SpecifiedCoordSys命令，输入编号号11.同理整理好弹簧簧命令流。其中，local表示定义局部坐坐标系命令；11为局部坐标系编编号；1代表柱坐标系；；1237.05和440.1表示设置柱坐标标系的坐标原点点；cysy，11表激活局部坐标标系11；psprng表示建立弹簧命命令；1表节点编号；tran表施加径向弹簧簧；400000000表示弹簧弹性系系数；1表示弹簧在沿柱柱坐标系x方向有一个单位位的长度。将弹簧命令流输输入ansys中，得下图。20、施加约束条件件MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>onNodes，弹出在节点上上施加位移约束束对话框，用鼠鼠标选取节点1和2，单击“OK”按钮，弹出““ApplyU,ROTonNodes”对话框，21、施加重力加速度度：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity，弹出“Apply(Gravitational)Acceleration”对话框，如图图所示。只需在在“GlobalCartesianY-comp”栏后面输入重重力加速度值““9.8”就可以，单击击“OK”按钮，就完成成了重力加速度度的施加22、求解运算：执行MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnakysis命令，设置Static分析类型。执行行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，弹出一个求解解选项信息和一一个当前求解载荷步对话话框，检查信息息无错误后，单单击“OK”，开始求解运运算，直到出现现一个“Solutionisdone”的提示栏，表表示求解结束。。后处理执行MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>LastSet命令，读取计算算结果。查看隧道衬砌支支护结构变形图图：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Deformedshape，弹出一个“PlotDeformedShape”的对话框，选选中“Def+undeformed”并单击“OK”，出现隧道衬衬砌支护结构变变形图。执行MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable,定义结果显示列列表，再执行MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>ListElemTable,选择NI，得各单元轴力力。（正值受拉，负负值受压）除去去受拉弹簧，则则得到49-72号弹簧受拉，需需去除。执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Elements，弹出一个删除除单元选取对话话框（分批多次去除除），执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Nodes，弹出一个删除除节点选取对话话框，去除弹簧节点点。再重新计算算。按照此方法，经经多次试算，保保证弹簧全部处处受压状态。确确定抗力分布范范围，最终计算算模型。最终计算结果显显示：执行UtilityMenu>Select>Entities命令最终计算结果显显示：执行Ut