ansys软件在隧道施工过程中的应用

ansys软件在隧道施工过程中的应用

现在，随着岩石力学的发展，计算机的广泛应用和性能的不断提高，有限元法已成为发展最快的隧道结构分析的数值计算方法。因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组,而矩阵代数建立的方程组非常方便于计算机的存储与求解,所以,有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。1数值模拟中的围岩材料及弹性模型利用ANSYS来模拟隧道开挖过程有两种建模方法:1)建立三维模型;2)建立二维模型,本文采用后者建立有限元模型。本文所采用的模型水平方向上隧道两边的长度均取洞跨的5倍为限,即计算模型的水平宽度为开挖隧道跨度的7倍;垂直方向上,隧道下方的距离为洞高的3倍,而隧道上方按实际地形尺寸。根据隧道围岩的物理力学性质,在本文有限元计算中,围岩材料采用符合Drucker-Prager屈服条件的(D-P)材料来模拟,以计算隧道结构与地层在开挖过程中发生的非线性变形特性。D-P材料是一种理想弹塑性材料,屈服面不随着塑性应变的增加而改变。Drucker-Prager屈服条件是在Mises屈服条件的基础上,再考虑静水应力影响的屈服条件。我们认为混凝土和钢材的变形在弹性范围内,采用线弹性模型。在计算过程中,围岩、喷射混凝土和模筑混凝土均采用ANSYS程序中的Plane42加以模拟。对锚杆和钢拱架的模拟下文单独叙述。2anasasys的分析方法岩体边界上的位移边界条件通常是两侧边界约束其水平方向的自由度,竖直自由度不约束;上边界条件一般取实际的自由边界;下边界的两个位移自由度采取全约束。在内侧的开挖边界上,施加每一步开挖相应的释放荷载。初始应力场由自重应力和构造应力两部分叠加而成。有限元计算时按不利情况考虑,即只考虑自重应力而忽略构造应力。ANSYS具体有两种操作方法:1)把重力作为单独的一个荷载步。在分析的第一步,首先计算出模型在重力作用下的应力场,以此应力场作为后续分析的初始应力场。应当注意的是后面每一步分析得到的位移场都叠加了重力引起的根本不存在的位移场,所以如果需要位移场的结果,要扣除第一步重力引起的位移场。2)先在弹性范围内单独对模型施加重力荷载,计算得到初始应力场并将各节点的应力写成一个初始应力文件。然后重新开始分析,将之前得到的初始应力文件读入,作为荷载施加到模型上。最后进行接下来的计算。这种方法计算得到的应力场和位移场直接就是所要的结果,不需要另行处理,但要求前后两次计算的模型必须完全一致。3施工步骤的选取利用ANSYS程序的荷载步功能可以模拟隧道施工的连续性。在一个荷载步计算结束后,不要退出求解器,直接在模型上执行下一步相应的操作,如开挖、支护等。全部操作到位后,就可以继续进行求解计算,如此循环,直到施工结束。每一个荷载步都对应着一个施工步骤,在每一个施工步骤中,一般都会涉及到开挖和支护。利用ANSYS程序提供的单元生死功能可以模拟开挖和支护的过程。对需要开挖的部分,在模型中选择将这一部分单元杀死(KILL),程序就会用一个接近零的数(ESTIF)乘以这部分单元的刚度矩阵,并从总的质量矩阵中消去单元的质量。因而这部分死掉的单元的荷载为零,不对荷载向量生效。当需要支护时,先选择模型中相应的单元将其激活(ALIVE),然后再将其变为相应的材料即可。激活的单元的刚度、质量、单元荷载等将恢复其原始数值,它们没有应变记录,也没有热量存储等,并且如果大变形选项(NLGEOM)打开,激活的单元会自动修改自身的几何性质(长度、面积等)来协调当前的位移。4隧道开挖基本荷载释放关于隧道开挖过程中围岩荷载对应每一步操作(开挖、支护等)释放多少很难给出一个定量的结论。本文假定隧道开挖瞬间荷载释放50%,初期支护完成后荷载释放80%,二次衬砌浇筑后荷载完全释放。在地应力释放法的基础上,结合以上确定的隧道施工各环节的荷载释放率,通过在开挖边界上施加虚拟支撑力p5喷混凝土和钢拱架的施工工艺为了模拟锚杆和钢拱架对隧道的作用,一般有如下两种方法:1)采用等效的方法,通过改变它们所影响范围内的岩石的物理力学参数来表现;2)用梁单元或杆单元来模拟钢拱架和锚杆,然后通过粘结单元将其和围岩连接在一起或者将其参量与相邻单元耦合起来,以达到共同变形、共同受力的目的。本文对钢拱架和锚杆分别采用上述两种方法进行处理,由于钢拱架与喷射混凝土实际上是紧裹在一起,共同变形、共同受力,所以钢拱架采用等效方法计算。锚杆采用杆单元模拟,对系统锚杆按全锚式处理,划分单元时通过一些控制条件(SIZEORNDIV)使锚杆上节点共用相应位置处围岩上的节点,这样就不需要进行重合节点的位移耦合;对预应力锚杆也需要这样处理,施加预应力通过三种手段:其一,可以通过给杆单元赋予一个初始应变,通过实常数的方法赋予杆单元,初应变可以提前算出来;其二,在杆端施加一个等效集中力来模拟施加预应力,等效集中力更适合存在二次张拉的预应力锚杆;其三,利用等效的原理给杆单元一个负的温度,此温度引起的温度应力应该和施加预应力的效果等效,计算公式为:6衬砌之间接触对模拟初期支护和二次衬砌之间设有防水层,关于防水层在隧道整个服务期间对整个结构的力学影响还不是很清楚,要使模型接近实际情况,应在初期支护和二次衬砌之间设置接触单元,形成面—面接触的接触对,来模拟初期支护和二次衬砌之间由于防水层的存在只能传递径向力,不能(或相对较小,可以忽略)传递轴向力的特点。但防水层在施工阶段对整个结构(尤其是二次衬砌)受力的影响不是很大,其影响往往是在隧道建成后较长的一段时间以二次衬砌开裂、变形等方式体现出来,本文主要考虑施工期间整个结构的力学响应,所以不考虑防水层的影响,认为二次衬砌和初期支护之间直接连接。7爆破影响区范围及准则李术才等人提出通过降低爆破影响区岩体弹性模量和强度参数的方法来模拟破坏的影响,具体做法如下:1)爆破影响的范围:当洞径为10m