隧道内力及可靠度分析操作流程手册模板

隧道内力及可靠度分析操作流程手册资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。隧道结构内力及可靠性分析操作流程手册

目录第一章隧道结构内力分析 31.1Ansys菜单操作 31.2Ansys命令流操作及讲解 23第二章隧道结构安全度检算 282.1素混凝土的安全度检算 282.2钢筋混凝土 30第三章隧道结构内力随机性分析 313.1作用效率变异性分析 313.2命令流及解释 55第四章隧道结构可靠性分析 704.1钢筋混凝土功能函数如下: 704.1.1钢筋混凝土判断大小偏心命令流 714.1.2大偏心下计算可靠度指标β 734.1.3小偏心下计算可靠度指标β 764.2素混凝土的功能函数 794.2.1破坏类型判断 814.2.2抗压破坏 81第一章隧道结构内力分析1.1Ansys菜单操作本例以标准图1202普货-200双线Ⅳ级围岩无砟隧道为例。本隧道为二衬为c35混凝土,混凝土弹性模量为32E10,泊松比为0.2,Ⅳ级围岩弹性反力系数为350e6,计算按照深埋求得竖向及水平荷载。第一步:定义工作文件名和工作标题⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后,选择菜单UtilityMenu:File→ChangeJobname,出现ChangeJobname对话框。在【/FILNAM】EnternewJobname输入框中输入工作名称Support,单击OK按钮关闭该对话框。⑵选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入TunnelSupportStructuralAnalysis,单击OK按钮关闭该对话框。第二步:定义单元类型图1-1单元类型库对话框选择菜单MainMenu:Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete命令,出现ElementTypes对话框,单击Add按钮,出现LibraryofElementTypes对话框。在左侧滚动栏中选择StructuralBeam,在右侧滚动栏中选择2Delestic3,单击Apply按钮,定义Beam3单元,如图1-1所示。最后单击Close按钮关闭对话框。图1-1单元类型库对话框第三步:定义单元实常数图1-2定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框选择菜单MainMenu:Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete命令,出现RealContants对话框,单击Add按钮,出现ElementTypeforRealContants对话框,单击OK按钮,选择TYPE1BEAM3,单击OK按钮,最后在弹出的RealConstantforBEAM3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:0.45、惯性矩IZZ:0.00759375、高度HEIGHT:0.45,如图1-2图1-2定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框图1-3图1-3定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框⑵单击OK按钮,在打开的对话框中单击Add按钮,在弹出的对话框中选择TYPE1BEAM3,单击OK按钮,在打开的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:0.4457、惯性矩IZZ:0.、高度HEIGHT:0.4457,如图1-3所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同,因此要建立多个BEAM3实常数。按相同步骤添加其它几个。第四步:定义材料属性⑴选择菜单MainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels命令,出现DefineMaterialBehavior对话框。⑵在MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项,出现LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框,在EX对话框中输入3.2e10,在PRXY输入栏中输入0.2,如图1-4所示,单击OK按钮关闭该对话框。图1-4线弹性材料模型对话框⑶单击Structural、Density选项,在弹出的DensityforMaterialNumbere1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500,如图1-5所示。单击OK按钮,选择Material图1-4线弹性材料模型对话框第五步:建立模型和划分网格(1)创立隧道衬砌支护关键点选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS命令,出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框,输入关键点1。最后单击OK按钮,生成82个关键点。图1-5材料密度输入对话框图1-5材料密度输入对话框图1-6隧道二衬中心线选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→straightline命令,然后依次选中1,2两点,再依次选中2,3两点,直到82,1两点,单击OK按钮。得出二衬的中心线如图图1-6隧道二衬中心线(3)保存几何模型文件选择菜单UtilityMenu:File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db,单击OK按钮。(4)为线赋予特性图1-7选择线条图1-8赋予属性选择菜单MainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool命令,打开MeshTool对话框,在ElementAttribute后面的下拉菜单选择Lines,单击Set按钮,打开LineAttribute线拾取框,选中Min,Max,Inc,在输入栏中输入17,66,如图1-图1-7选择线条图1-8赋予属性同样的方法为1,11赋予属性,其它同前,只是在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择7,单击OK按钮退出。然后在lineattribute里选择listofitems,在输入栏中输入16,67,如图1-9,单击OK按钮,打开LineAttributes对话框,在Materialnumber后面的下拉菜单中选择1,在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择2,在Elementtypenumber后面的下拉菜单中选择1BEAM3,单击apply继续为15,68;14,69;13,70;12,71;RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中依次选择3,4,5,6,单击OK退出。图1-9选择线条图1-9选择线条图1-10线单元尺寸划分对话框在MeshTool对话框中SizeControls下面选择栏中的Lines右边单击Set按钮,在打开的对话框中选择pickAll。单击拾取框上的OK按钮,打开ElementSizesonpickedLines对话框,如图1-图1-10线单元尺寸划分对话框⑹划分网格图1-11二衬中心线节点图在网格划分工具栏中单击Mesh按钮,打开一个对话框,单击PickAll按钮,生成82个梁单元,如图1-1图1-11二衬中心线节点图⑺创立弹簧单元图1-12定义弹簧单元对话框加竖向弹簧,执行mainmenu>preprocessor>Modeling>Create>PipingModels>SpringSupport命令,弹出选取对话框,选中将为之施加弹簧支撑的节点1后单击Apply按钮,弹出DefineSpringSupport对话框,如图1-12所示。NLOC项已自动给出,再依次输入弹簧类型TYPE为translational(平移),由公式K=kbh,厚度b为1,弹性系数为K*abs(nx(1)-nx(82)),即3.5e8*abs(0-0.)=.7,偏移量为Y轴负方向偏移0.5,单击apply,再依次为最大跨度1-22点,62-88图1-12定义弹簧单元对话框加水平弹簧时偏移量为X方向偏移,右侧为0.5,左侧为-0.5。如图1-13所示,弹性系数公式为3.5e8*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2。水平弹簧加到上方呈90°~120°,这里左侧加至39点,右侧加至45点,再根据判断去掉多余弹簧,由于此处数据量较大,建议用命令流添加。图1-13弹性系数原理添加弹簧后的图像如图1-14图1-13弹性系数原理!!!!!!图1-14图1-14添加弹簧单元后的单元网格图第六步:施加约束和载荷给弹簧单元施加约束该步骤能够省略不考虑,应对另外一种情况加上这一条选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes命令,打开在节点上施加位移约束对话框,点选单元最外层节点共所有节点,单击OK按钮,打开ApplyU,ROTonNodes对话框,如图1-15所示。在DOFstubeconstrained栏后面选取UX,UY,接着在Applyas栏后面的下拉菜单中选取Constantvalue选项,并在Displacementvalue栏后面输入0值,然后单击OK按钮,完成对弹簧节点位移的约束。图1-15横向竖向约束另外给最低点1点施加水平方向约束图1-15横向竖向约束施加重力加速度图1-16施加重力加速度对话框选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令,打开Apply(Gravitational)Acceleration对话框,如图1-16图1-16施加重力加速度对话框对隧道衬砌支护施加围岩压力首先选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→setting→Replacevsadd→forces弹出replace/AddSettingforForces对话框,在DOFSEL中选择FX,FY,FCUM栏中选择Addtoexisting,使施加的荷载能够叠加而不是替换。选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes命令,打开节点位置施加载荷对话框,以41点为例,选择41点,打开打开ApplyF/MonNodes对话框。在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY,在Force/momentvalue栏中输入围岩垂直均布力-34876.1。再选择41点,添加FX方向力548.96。隧道本身是受竖向均布压力,如图1-17,在此将竖向均布荷载q置换为每个节点的节点荷载,节点荷载等于均布荷载的集度q乘上节点相邻梁单元水平投影的1/2,乘上结构再的计算宽度b,这里,b=1。例如,第1点的节点荷载p为,第2节点的节点荷载p2为:图1-17施加荷载图解图1-17施加荷载图解同时点2所受的力为1杆的j端里和2杆的i端力,两者相叠加。即加两次荷载同样方法依次给其余点加载。加载后如图1-18所示此处可用命令流简便操作。图1-18图1-18加载后的模型第七步:求解计算图1-19求解选择菜单MainMenu:Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,如图1-19图1-19求解第八步:后处理(对计算结果进行分析)⑴计算分析修改模型1)查看隧道衬砌支护结构变形图选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,如图1-20所示,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现隧道衬砌支护结构变形图,如图1-21所示。图1-21初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图1-20查看变形图对话框图1-21初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图1-20查看变形图对话框确定受拉弹簧范围:执行MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令,定义结果显示列表,在Lab栏中输入列表名NI,在下面对话框选择Bysequencenum,右下侧输入SMISC,1,单击OK。再执行MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→ListElemtable,在弹出的对话框里选择NI,则弹出如图1-22所示的显示各单元轴力的对话框。图1-22轴力从显示列表能够判断119,120,123,124号弹簧受拉(正值表示受拉,负值表示受压)。图1-22轴力2)删除受拉弹簧单元选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Delete→Elements命令,打开一个删除单元选取对话框,在输入栏中输入119,120,123,124,单击OK按钮。选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Delete→Nodes命令,打开一个删除节点选取对话框,在输入栏中输入119,120,123,124,单击OK按钮。再重新计算。3)第二次求解选择菜单MainMenu:Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,接受默认设置,单击OK按钮,开始求解计算,直到出现一个Solutionisdone提示栏,单击Close按钮关闭提示栏。4)查看第二次分析计算结构变形图选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。经过多次计算,逐步去除受拉弹簧,最终使所有保留下的弹簧都处于受压状态,从而确定被动抗力的分布范围,即确定最终的计算模型。其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图1-23所示。图1-图1-23最终隧道结构变形图选择菜单UtilityMenu:File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-result.db,单击OK按钮。⑵画出主要图形1)绘制结构变形图选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,得到隧道结构变形图。图1-图1-24单元数据制表对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令,打开一个ElementTableData对话框,如图1-24所示。单击Add按钮,打开一个DefineAdditionalElementTableItems对话框,如图1-25所示。在Userlabelforitem栏后面输入MI,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入6,然后单击Apply按钮;再次在Userlabelforitem栏后面输入MJ,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入12,然后图1-25定义单元数据表对话框单击Apply按钮;使用同样的方法依次输入FI,1;FJ,7。最后得到定义好后的单元数据表对话框,如图图1-25定义单元数据表对话框3)设置弯矩分布标题图1-26定义好后的单元数据表对话框选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入BENDINGMOMENTdistribution,单击图1-26定义好后的单元数据表对话框4)画结构弯矩图图1-27画结构弯矩图对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令,打开一个PlotLine-ElementResults对话框,如图1-27所示。在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取MI,在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取MJ,在Optionalscalefactor后面栏中输入-1图1-27画结构弯矩图对话框图1-28画结构弯矩图对话框图1-28画结构弯矩图对话框选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入ZHOULIforcedistribution,单击OK按钮关闭该对话框。6)画结构轴力图选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令,打开一个PlotLine-ElementResults对话框。在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取FI,在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取FJ,在Optionalscalefactor后面栏中输入1,在Itemstobeplottedon栏后面选择Deformedshape单选按钮,最后单击OK按钮,得到隧道衬砌支护结构的轴力图,如图1-29所示。图图1-29结构轴力图(单位:N)⑶列出主要数据1)列表显示单元的弯矩,剪力和轴力 图1-30ListElementTableData对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData命令,打开一个ListElementTableData对话框,如图1-30所示。在Itemstobelisted栏后面的下拉菜单中选择MI、MJ、FI、FJ选项,然后单击OK按钮,打开单元数据表文件,如图图1-30ListElementTableData对话框(4)选择菜单UtilityMenu:File→Exit命令,出现ExitfromANSYS对话框,选择Quite-NoSave!选项,单击OK按钮,关闭ANSYS。图图1-31单元表数据第二章隧道结构安全度检算2.1素混凝土的安全度检算时,按抗压强度计算(2.1)时,按抗拉强度计算:(2.2)式中,k——安全系数;——稳定系数,对衬砌结构取=1.0;——荷载设计值产生的轴向力;b——截面宽度(m);h——截面高度(m);——混凝土抗压极限强度,按铁隧规范取值,如表1;——轴向力偏心距M/N;——混凝土抗拉极限强度,按铁隧规范取值,如表1;——轴向力偏心影响系数,按表2采用;表1混凝土的极限强度(MPa)强度种类符号混凝土强度等级C15C20C25C30C40C50抗压12.015.519.022.529.536.5弯曲抗压15.019.424.228.136.945.6抗拉1.41.72.02.22.73.1表2偏心影响系数0.000.020.040.060.080.100.120.140.161.0001.0001.0000.9960.9790.9540.9230.8860.8450.180.200.220.240.260.280.300.320.340.7990.7500.6980.6450.5900.5350.4800.4260.3740.360.380.400.420.440.460.480.3240.2780.2360.1990.1700.1420.123注:1表中为轴向力偏心距。2表中

2.2钢筋混凝土(2.3)(2.4)(2.5)由式(2.3)求得x,(1)当时,为小偏心受压,(2.6)(2)当时,为大偏心受压,(2.7)式中——系数,C50以下级别混凝土均取1.0——见表1——初始偏心距——附加偏心距,其值取偏心方向截面尺寸的1/30和20mm中的较大者;——钢筋抗拉极限强度,见表3;表3钢筋的强度和弹性模量钢筋种类屈服强度(MPa)抗拉极限强度(MPa)抗拉或抗压计算强度(MPa)弹性模量(GPa)延伸率(%)HPB235(Q235)24038026021025HRB335(20MnSi)34052036020016

省略命令流!!!第三章隧道结构内力随机性分析3.1作用效率变异性分析本例以标准图1202普货-200双线Ⅳ级围岩无砟隧道为例。本隧道为二衬为c35混凝土,混凝土弹性模量为32E10,泊松比为0.2,Ⅳ级围岩弹性反力系数为350e6,计算按照深埋求得竖向及水平荷载。第一步:定义工作文件名和工作标题⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后,选择菜单UtilityMenu:File→ChangeJobname,出现ChangeJobname对话框。在【/FILNAM】EnternewJobname输入框中输入工作名称Support,单击OK按钮关闭该对话框。⑵选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入TunnelSupportStructuralAnalysis,单击OK按钮关闭该对话框。(3)首先选择主菜单parameters>angularunits,在AFUN一栏选择DegreesDEG,使ansys能够辨认角度。第二步:定义变量级单元类型图3-图3-1定义变量选择主菜单parameters>scalarparameters,弹出scalarparameters选项如图3-1,在selection一栏输入要定义的变量weiyanzhongdu=20.5e3(Ⅳ级围岩围岩重度),单击accept,然后依次输入,k=3e8,E=3.2E10,houdu1=0.45,houdu2=0.4457,houdu3=0.4506,houdu4=0.4585,houdu5=0.4691,houdu6=0.4822,houdu7=0.5,然后是侧压力系数ceyalixishu=0.2,下面定义公式,本隧道为深埋隧道,计算方法参照规范深埋隧道计算方法如下:垂直匀布压力为:(1.1)(1.2)式中:——围岩垂直匀布压力;——围岩容重;——围岩压力计算高度;——围岩级别——宽度影响系数,;——坑道宽度;——每增减1m时的围岩压力增减率,当<5m时,取;当>5m时,取图3-2定义变量接着继续定义参数,s=4,b=13.42,w=1+0.1*(b-5),hq=0.45*w*2**(s-1),竖向压力shuxiang=weiyanzhongdu*hq*0.5,水平压力shuiping=shuxiang*ceyalixishu*0.5,uxishu=k,vxishu=k。定义后图3-2定义变量选择菜单MainMenu:Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete命令,出现ElementTypes对话框,单击Add按钮,出现LibraryofElementTypes对话框。在左侧滚动栏中选择StructuralBeam,在右侧滚动栏中选择2Delestic3,单击Apply按钮,定义Beam3单元,如图3-3所示。最后单击Close按钮关闭对话框。图3-3图3-3单元类型库对话框选择菜单MainMenu:Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete命令,出现RealContants对话框,单击Add按钮,出现ElementTypeforRealContants对话框,单击OK按钮,选择TYPE1BEAM3,单击OK按钮,最后在弹出的RealConstantforBEAM3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:houdu1、惯性矩IZZ:houdu1*houdu1*houdu1/12、高度HEIGHT:houdu1,如图3-4所示。图图3-4定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框⑵单击OK按钮,在打开的对话框中单击Add按钮,在弹出的对话框中选择TYPE1BEAM3,单击OK按钮,在打开的对话框中分别输入仰拱支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA:houdu2、惯性矩IZZ:houdu2*houdu2*houdu2/12、高度HEIGHT:houdu2,如图3-5所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同,因此要建立多个BEAM3实常数。图3-5图3-5定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框第四步:定义材料属性⑴选择菜单MainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels命令,出现DefineMaterialBehavior对话框。图3-6线弹性材料模型对话框⑵在MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项,出现LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框,在EX对话框中输入E,在PRXY输入栏中输入0.2,如图3-6所示,单击图3-6线弹性材料模型对话框⑶单击Structural、Density选项,在弹出的DensityforMaterialNumbere1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500,如图3-7所示。单击OK按钮,选择Material→Exit,退出材料定义对话框。图3-7图3-7材料密度输入对话框创立隧道衬砌支护关键点选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS命令,出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框,输入关键点1。最后单击OK按钮,生成82个关键点。创立隧道衬砌支护线模型图3-8隧道衬砌支护线模型选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→straightline命令,然后依次选中1,2两点,再依次选中2,3两点,直到82,1两点,单击OK按钮。得出如图3图3-8隧道衬砌支护线模型保存几何模型文件选择菜单UtilityMenu:File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db,单击OK按钮。(3)为线赋予特性图3-9选择线条图3-10赋予属性选择菜单MainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool命令,打开MeshTool对话框,在ElementAttribute后面的下拉菜单选择Lines,单击Set按钮,打开LineAttribute线拾取框,选中Min,Max,Inc,在输入栏中输入17,66,如图3-9图3-9选择线条图3-10赋予属性同样的方法为1,11赋予属性,其它同前,只是在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择7,单击OK按钮退出。图3-11选择线条然后在lineattribute里选择listofitems,在输入栏中输入16,67,如图3图3-11选择线条(5)控制线尺寸图3-12线单元尺寸划分对话框在MeshTool对话框中SizeControls下面选择栏中的Lines右边单击Set按钮,在打开的对话框中选择pickAll。单击拾取框上的OK按钮,打开ElementSizesonpickedLines对话框,如图3-1图3-12线单元尺寸划分对话框划分网格图3-13隧道支护单元图在网格划分工具栏中单击Mesh按钮,打开一个对话框,单击PickAll按钮,生成82个梁单元,如图3-1图3-13隧道支护单元图图3-14图3-14定义弹簧单元对话框加竖向弹簧,执行mainmenu>preprocessor>Modeling>Create>PipingModels>SpringSupport命令,弹出选取对话框,选中将为之施加弹簧支撑的节点1后单击Apply按钮,弹出DefineSpringSupport对话框,如图3-14所示。NLOC项已自动给出,再依次输入弹簧类型TYPE为translational(平移),由公式K=kbh,厚度b为1,弹性系数为K*abs(nx(1)-nx(82)),即3.5e8*abs(0-0.)=.7,偏移量为Y轴负方向偏移0.5,单击apply,再依次为最大跨度2-22点,62-81点依次加竖向弹簧。图3-15弹簧系数图解加水平弹簧时偏移量为X方向偏移,右侧为0.5,左侧为-0.5.如图3-15弹簧系数图解图3-16添加弹簧单元后的单元网格图图3-16添加弹簧单元后的单元网格图!加水平弹簧*do,i,2,34k=a*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2psprng,i,tran,k,-0.5,,*enddopsprng,1,tran,a*abs(ny(1)-ny(2)),-0.5psprng,1,tran,a*abs(ny(1)-ny(2)),0.5*do,i,50,81k=a*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2psprng,i,tran,k,0.5*enddopsprng,82,tran,a*abs(ny(1)-ny(81))/2,0.5,,!加竖向弹簧*do,i,2,22!最大跨度k=a*abs(nx(i+1)-nx(i-1))/2psprng,i,tran,k,,-0.5*enddo*do,i,62,81k=a*abs(nx(i+1)-nx(i-1))/2psprng,i,tran,k,,-0.5*enddopsprng,82,tran,a*abs(nx(1)-nx(81))/2,,-0.5psprng,1,tran,a*abs(nx(1)-nx(82)),,-0.5allselfinish第六步:施加约束和载荷⑴给弹簧单元施加约束选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes命令,打开在节点上施加位移约束对话框,点选单元最外层节点共所有节点,单击OK按钮,打开ApplyU,ROTonNodes对话框,如图3-17所示。在DOFstubeconstrained栏后面选取UX,UY,接着在Applyas栏后面的下拉菜单中选取Constantvalue选项,并在Displacementvalue栏后面输入0值,然后单击OK按钮,完成对弹簧节点位移的约束。图3图3-17横向竖向约束施加重力加速度图3-18施加重力加速度对话框选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令,打开Apply(Gravitational)Acceleration对话框,如图图3-18施加重力加速度对话框对隧道衬砌支护施加围岩压力首先选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→setting→Replacevsadd→forces弹出replace/AddSettingforForces对话框,在DOFSEL中选择FX,FY,FCUM栏中选择Addtoexisting,使施加的荷载能够叠加而不是替换。选择菜单MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes命令,打开节点位置施加载荷对话框,以41点为例,选择41点,打开打开ApplyF/MonNodes对话框。在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY,在Force/momentvalue栏中输入围岩垂直均布力-34876.1。再选择41点,添加FX方向力548.96。隧道本身是受竖向均布压力,如图3-19,在此将竖向均布荷载q置换为每个节点的节点荷载,节点荷载等于均布荷载的集度q乘上节点相邻梁单元水平投影的1/2,再乘上结构的计算宽度b,这里,b=1。例如,第1点的节点荷载p为,第2节点的节点荷载p2为:图2-19图2-19施加荷载图解同时点2所受的力为1杆的j端里和2杆的i端力,两者相叠加。即加两次荷载同样方法依次给其余点加载,加载后如图3-20所示。此处可用命令流简便操作。*do,i,22,61a=-71285*0.5*abs(nx(i)-nx(i+1))f,i+1,fy,af,i,fy,a*enddo!水平荷载*do,i,1,41a=14257*0.5*abs(ny(i)-ny(i+1))f,i+1,fx,af,i,fx,a*enddo*do,i,42,81a=-14257*0.5*abs(ny(i)-ny(i+1))f,i+1,fx,af,i,fx,a*enddof,1,fx,-14257*0.5*abs(ny(1)-ny(2))f,82,fx,-14257*0.5*abs(ny(82)-ny(1))图3-20图3-20加载后的模型图3-21求解选择菜单MainMenu:Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,如图图3-21求解第八步:后处理(对计算结果进行分析)⑴计算分析修改模型1)查看隧道衬砌支护结构变形图图3-22查看变形图对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,如图2-22所示,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现隧道衬砌支护结构变形图,如图3-23图3-22查看变形图对话框图3-23初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图3-23初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图从图3-23的初次分析隧道衬砌支护结构变形图中能够看出弹簧111、112、113、114、115、118、119、120、121、122,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,因此这10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)删除受拉弹簧单元选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Delete→Elements命令,打开一个删除单元选取对话框,在输入栏中输入111、112、113、114、115、118、119、120、121、122,单击OK按钮。选择菜单MainMenu:Preprocessor→Modeling→Delete→Nodes命令,打开一个删除节点选取对话框,在输入栏中输入111、112、113、114、115、118、119、120、121、122,单击OK按钮。3)第二次求解选择菜单MainMenu:Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,接受默认设置,单击OK按钮,开始求解计算,直到出现一个Solutionisdone提示栏,单击Close按钮关闭提示栏。4)查看第二次分析计算结构变形图选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。经过2次计算,得到没有受拉弹簧时的隧道结构模型。其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图3-24所示。图3图3-24最终隧道结构变形图选择菜单UtilityMenu:File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名Support-result.db,单击OK按钮。⑵画出主要图形1)绘制结构变形图图3-25单元数据制表对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,得到隧道结构变形图,如图3图3-25单元数据制表对话框2)将节点弯矩、剪力、轴力制表图3-26定义单元数据表对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令,打开一个ElementTableData对话框,如图3-25所示。单击Add按钮,打开一个DefineAdditionalElementTableItems对话框,如图3图3-26定义单元数据表对话框在Userlabelforitem栏后面输入MI,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入6,然后单击Apply按钮;再次在Userlabelforitem栏后面输入MJ,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入12,然后单击Apply按钮;使用同样的方法依次输入FI,1;FJ,7。最后得到定义好后的单元数据表对话框,如图3-27所示。图3图3-27定义好后的单元数据表对话框选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入BENDINGMOMENTdistribution,单击OK按钮关闭该对话框。4)画结构弯矩图图3-28画结构弯矩图对话框选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令,打开一个PlotLine-ElementResults对话框,如图3-28所示。在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取MI,在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取MJ,在Optionalscalefactor后面栏中输入-1,在Itemstobeplottedon栏后面选择Deformedshape单选按钮,最后单击OK按钮,得到隧道衬砌支护结构的弯矩图,如图3图3-28画结构弯矩图对话框图图3-29画结构弯矩图对话框5)设置轴力分布标题选择菜单UtilityMenu:File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入ZHOULIforcedistribution,单击OK按钮关闭该对话框。6)画结构轴力图图3-30结构轴力图(单位:N)选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→图3-30结构轴力图(单位:N)⑶列出主要数据1)列表显示单元的弯矩,剪力和轴力 选择菜单MainMenu:GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData命令,打开一个ListElementTableData对话框,如图3-31所示。在Itemstobelisted栏后面的下拉菜单中选择MI、MJ、FI、FJ选项,然后单击OK按钮,打开单元数据表文件,如图3-32所示。图图3-31ListElementTableData对话框图3-32图3-32单元表数据图3-图3-33get函数选择菜单parameters>GetScalarData,弹出GetScalarData对话框如图3-33,选择Resultsdata里的elementresults选项,单击ok进入getElementResultsData选项卡,在Nameofparametertobedifined填入n1,ElementnumberN填1,Resultsdatatoberetrieved选择Bysequencenum,后面填SMISC,1提取单元1的轴力,如图3-34所示:图3-图3-34getElementResultsData图3-35弯矩提取图3-35弯矩提取生成可靠行文件选择UtilityMenu>File>WriteDBLogFile进入指定文件选项,在writedatabaselogto选项填入名称,暂可取erchen82,如图3-36图3-图3-36保存文件图3-37assign图3-37assign本隧道所用的变量为侧压力系数的变异系数为0.175,弹性反力系数k的变异系数为0.236,混凝土弹性模量E的变异系数为0.853,以及厚度1-7的变异系数均为0.15,选择MainMenu>ProbDesign>ProbDefinitns>RandomInput进入变异性分析,如图3-38所示,单击add,添加变异系数,以E为例,在definearandomvariable选项卡中选中定义好的变量E,下方选择gauss高斯分布,单击OK,弹出QuantifyGaussiandistribution如图3-39,在Meanvalue中输入平均值3.2E10,standarddeviation中输入标准差等于3.2E10*0.0853=2729.6e6,单击ok退出,同样方法依次添加ceyalixishu,k,houdu1—houdu7的均值和标准差。图3-39assign图3-图3-39assign图3-38assignMainMenu>ProbDesign>ProbMethod>MonteCarloSims选择LatinHypercube,单击OK弹出对话框如图2-40,在NSIM中填入需要模拟的次数,比如10000,nrep中输入1,isopt选择randomsampling,astop里选择ExeuteAllSims,seed项选择use1234567INIT,图图3-40optionsforlatin执行循环选择MainMenu>ProbDesign>Run>ExecSerial>RunSerial在slab中填标签erchen82,如图3-41,fopt中选择yes以保存结果,单击ok弹出保存对话框,填入需要的名称单击ok开始执行操作。如图3-42,单击ok开始循环。图图3-41执行操作 图图3-42执行操作

第四章隧道结构可靠性分析4.1钢筋混凝土功能函数如下:构件大小偏心界限状态方程为:(4.1)大偏心承载力的极限状态方程为:(4.2)小偏心承载力的极限状态方程为:(4.3)式中——荷载设计值产生的轴向力;——轴向力偏心距M/N;,当时,取;——钢筋弹性模量,;——界限相对受压区高度;b——截面宽度;h——截面高度;——截面有效高度,;——混凝土抗压强度设计值,、——钢筋强度,——受拉、受压区钢筋面积,由规范钢筋表查得;、——自钢筋的重心分别至截面最近边缘的距离;构件大偏压破坏的概率为:构件小偏压破坏的概率为:4.1.1钢筋混凝土判断大小偏心命令流clear;closeall;clc;清空对话框symsbfh0Nfy1As1ESfyAsasas1Mh变量符号,此处为不变常量b=1;f=16.7e6;as=0.05;as1=0.05;fy=3e8;fy1=3e8;ES=2.0e11;As=0.001272;As1=0.001272;——钢筋弹性模量,、——钢筋强度,As、As1——受拉、受压区钢筋面积,as、as1——自钢筋As、As1的重心分别至截面最近边缘的距离,f为混凝土抗压强度设计值这里,N为变量,要考虑其变异性,将其每个节点对应的不同轴力列出,共42个N1=[296901 296967 297092 297399 298098 299553 302356 307380 315793 328976 351339 378796 410305 442733 472366 495771 510260 522425 532327 537933 538403 532896 527580 522993 519573 518363 520971 529261 544657 529129 511481 492421 472666 452928 433895 416213 400468 387176 376763 369561 365797 365584];由于该隧道为变截面隧道,因此其厚度有变异性,将其列出,1-42节点对应的厚度。h01=[0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.4322 0.4191 0.4085 0.4006 0.3957 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4];42个单元的厚度FinData=zeros(1,42);取一半的节点数加1,即42个fori=1:42N=N1(i);h0=h01(i);g=N/f-(0.8*h0/(1+(fy/6.6e8)))参照公式(4.1)判断大小偏心公式。FinData(1,i)=g;%%%%%%%%%%%%存放bbeta数据的矩阵%%%%%end%%%%%%%%%图4-1matlab命令流路径选择在matlab中,选择命令流文件所在的文件夹,如图4-1。图4-1matlab命令流路径选择图4-2matlab命令流选择在左侧选中”判断大小偏心”,如图4-2图4-2matlab命令流选择打开该命令后,选中所有命令,按F9运行,得到结果如图4-3g<0即为大偏心破坏截面,其余为小偏心,将小于0的截面按照大偏心破坏计算可靠度指标β。图4-3matlab命令流选择图4-3matlab命令流选择4.1.2大偏心下计算可靠度指标β公式参照(4.2)图4-4β计算图4-4β计算%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%clear;closeall;clc;symsbfh0Nfy1As1ESfyAsasas1MhMUXsigMAXb=1;as1=0.05;ES=2.0e11;as=0.05;ES=2.0e11;As=0.001272;As1=0.001272;mux表示均值,将有变异性的7个变量列入,每个变量对应42个值。7个变量分别为,1轴力;2fy;3fy1;4厚度h0;5混凝土抗压强度f;6弯矩;7,h。MUX=[296901 296967 297092 297399 298098 299553 302356 307380 315793 328976 351339 378796 410305 442733 472366 495771 510260 522425 532327 537933 538403 532896 527580 522993 519573 518363 520971 529261 544657 529129 511481 492421 472666 452928 433895 416213 400468 387176 376763 369561 365797 3655843.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+083.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+080.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.4322 0.4191 0.4085 0.4006 0.3957 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.41.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+07 1.67E+072028 3037 6060 11052 17831 25911 34286 41177 43778 38090 18924 1501 14543 28462 38675 43147 39764 26605 14346 6239 784 3299 7089 10432 13153 14347 12297 4591 11452 38044 52302 56150 51600 40690 25431 7750 10563 27902 42889 54415 61663 641350.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.4822 0.4691 0.4585 0.4506 0.4457 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45]; SigMAX为标准差,为均值乘以变异系数所得,顺序同上。sigMAX=[14900 14842 14733 14604 14500 14471 14559 14784 15118 15481 16375 17223 17909 18452 18926 19343 19643 19381 18789 17991 17082 16181 15534 15369 15687 16227 16286 14679 10268 9338 8447 7614 6859 6202 5655 5227 4914 4702 4570 4494 4453 44361.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+071.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+070.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.06483 0.062865 0.061275 0.06009 0.059355 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.062.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+06 2.51E+067174 7446 8265 9567 11128 12569 13446 13361 12107 9875 7670 7202 7837 8833 9607 9837 9373 8148 6171 4032 2306 1969 2640 2816 2466 3420 6340 9517 11060 8923 6735 4552 2477 1118 2223 3927 5515 6885 7990 8799 9293 94590.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.075 0.07233 0.070365 0.068775 0.06759 0.066855 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675 0.0675];FinData=zeros(1,42);fori=1:42muX=MUX(:,i);sigmaX=sigMAX(:,i);x=muX;normX=eps;whileabs(norm(x)-normX)/normX>1e-6normX=norm(x);g=(x(1,1)-x(2,1)*As1+x(3,1)*As)*x(4,1)-(x(1,1)-x(2,1)*As1+x(3,1)*As)^2/2/b/x(5,1)+x(2,1)*As1*(x(4,1)-as1)-x(1,1)*(x(6,1)/x(1,1)+x(7,1)/2-as);该公式为大偏心情况下β计算公式(4.2),对7个