隧道结构内力及可靠性分析操作流程手册

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................................................................1

1.1Ansys菜单操作...................................................................1

1.2Ansys命令流操作及讲解.......................................错误!未定义书签。

第二章隧道结构安全度检算.............................................................21

2.1素混凝土的安全度检算...........................................................21

2.2钢筋混凝土.....................................................................24

第二章隧道结构内力随机性分析.........................................................26

3.1作用效率变异性分析.............................................................26

3.2命令流及解释...................................................错误!未定义书签。

第四章隧道结构可靠性分析.............................................................51

4.1钢筋混凝土功能函数如下：......................................................51

4.1.1钢筋混凝土判断大小偏心命令流.............................................52

4.1.2大偏心下计算可靠度指标B...................................................................................................54

4.1.3小偏心下计算刀靠度指标B...............................................................................................57

4.2素混凝土的功能函数.............................................................60

4.2.1破坏类型判断............................................................62

4.2.2抗压破坏................................................................62

编号：

时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共67页

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级围岩无昨隧道为例。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350c6,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

(1)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0K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

选择菜单MainMenu：Preprocessor-*ElementType->,'\dd/Edil/Delele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Structural

Beam,在右侧滚动栏中选择2Delestic3,单击Apply按钊，定义Beam3单元，如图1T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

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编节：

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04457、惯性矩IZZ：0007378136、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，所以要建立多个BEAM3实常数。

按相同步骤添加其他几个。

第四步：定义材料属性

(1)选择菜单MainMenu：PreprocessorfMaterialPropsfMaterialModels命令,出现Define

MaterialBehavior对话框。

⑵在MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Lincar^Elastic、Isoti'opic

选项，出现LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框，在EX对话框中输入3.2cl0,

在PRXY输入栏中输入O2,如图1-4所示,单击0K按钮关闭该对话框。

|JDefineMaterialModelBehavior-+

MaterialEditFavoriteHelp

MaterialModelsDefinedMaterialModelsAvailable

◎MaterialModelNumber$otlFavorites

涔Structural

澹Linear

博Elastic

c

Isotropic

<.■Orthotropic

c,

Anisotropic

PRXV0.2

AddTemperatureDe:eteTemperatureGraph

OKCancel

图1-4线弹性材料模型对话框

(3)单击Structural、Density选项,在弹出的DensityforMaterialNumbere1对话框中输

入隧道衬砌混凝十.材料的密度250(),如图1-5所示。单击0K按钮，选择Material-Exit,退出材

料定义对话框。

第五步：建立模型和划分网格

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时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页共67页

(1)创建隧道衬砌支护关键点

选择菜单MainMenu：Preprocessor-*Modeling->Create-*Keypoints-*InActiveCS命令，出

ADefineMaterialModelBehaviorO

MaterialEditFavoriteHelp

MaterialModelsDefinedMaterialModelsAvailable

MaterialModelNumberj国讨Favorites

fi&Structural

图1-5材料密度输入对话框

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。

(2)创建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0K按钮。得出二衬的中心

线如图1-6所示。

-,o394°li42li44

产

如54

2975

2856

Z757

26/8

t:\59

\60

23'61

22x62

|2163

20

口965

18爵

68

69

*74

3218281807978-^76

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图1-6隧道二衬中心线

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(3)保存几何模型文件

选择菜单UtilityMenu：FilefSaveas命令，打开SaveDatabase对话框，在SaveDatabase

to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

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1-7,单击0K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1,在Elementtypenumber后面的下拉菜单中选择1BEAM3,如图1-8所示。单击Apply

按钮再次打开线拾取框。

小LineAttributes

[LATT]AssignAttributestoPickedLines

MATMaterialnumber

REALRealconstantsetnumber

TYPEElementtypenumber

SECTElementsection

PickOrientationKeypoint(s)

OKApplyCancel

图1-8赋予属性

图1-7选择线条

同样的方法为1,11赋予属性，其他同前，只是在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单

中选择7,单击0K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0K

按钮，打开LineAttributes对话框，在Materialnumber后面的下拉菜单中选择1,在RealConstant

setnumber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

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中依次选择3,4,5,6,单击0K退出。

图1-9选择线条

(5)控制线尺寸

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pickAllo单击拾取框上的0K按钮,打开ElementSizesonpickedLines对话框,

如图ITO所示。在No.ofelementdivisions栏后面输入1,再单击OK按钮。

ElementSizesonPickedLines

OKApplyCancel

图1-10线单元尺寸划分对话框

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(6)划分网格

在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，打开一个对话框，单击PickAU按钮，生成82个梁单元,

如图1-11所示。

404142434445

3738394647

48

3产49

34、50

3351

3252

3153

3054

2955

2856

2757

2658

2559

2460

2361

22x62

2163

2064

1965

1866

1767

1668

1569

0

65432182818079^97776

图1-11二衬中心线节点图

⑺创建弹簧单元

加竖向弹簧，执行mainirenu>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DefineSpring

Support对话框，如图1-12

所示。NL0C项己自动给出，

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

(0-0.451940422)图1-12定义弹簧单元对话框

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=158179147.7,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点

依次加竖向弹簧。

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-D)/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。

添加弹簧后的图像如图1T4。

图1-13弹性系数原理

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第六步：施加约束和载荷

⑴给弹簧单元施加约束---该步骤可以省略不考虑，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0K

按钮,打开ApplyU,ROTonNodes对话框,如图1T5所示。

在DOFstubeconstrained栏后面选取UX,UY,接着在Applyas栏后面的卜拉菜单中选取

Constantvalue选项，并在Displacementvalue栏后面输入0值，然后单击0K按钮，完成对弹簧

节点位移的约束。

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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

⑴施加重力加速度

选择菜单MainMenu：Solution-*DefineLoads-*Apply-*Structural-*Inertia-*Gravity命令，

打开Apply(Gravitational)Acceleration对话框，如图1T6所示。在GlobalCartesianY-comp

栏后面输入重力加速度值9.8.单击0K按钮，完成重力加速度的施加。

图1-16施加重力加速度对话框

⑵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,FCL'M栏中选择Addtoexisting,

使施加的荷载可以叠加而不是替换。

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Forcc/momcntvalue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1T7,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

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里，b=U例如，第1点的节点荷载p为，

为+（右-X]）才2

P=Qb———T----=qb*

[乙乙

第2节点的节点荷载p2为：

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1T8所示

此处可用命令流简便操作。

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图1-18加载后的模型

第七步：求解计算

选择菜单MainMenu：SolutionfSolve-*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1T9所示，检查信息无误后，单击0K按钮，开始求解计算，求解结束后，弹

/STATUSCoflMs1d

PROBLEMD1HENSI0HALITY.....................................................................3-D

DEGREESOFFREEDOM.................................UXUYUZROTZ

ANALYSISTYPE............................................................................................STATIC<STEADV-STATE>

GLOBALLYASSEMBLEDHATRK..........................................................SYMETRIC

LOADSTEPNUMBER.......................................................................................1

TIMEATENDOPTHELOADHEP............................................................1.0096

NUMBEROFSUBSTEPS.................................................................................1

STEPaiANGEBOUNDARYCOHDITIONS.........................................NO

PRINTOUTPUTCOWTROLS....................................................................NOPRIWTOUT

DATABASEOUTPUTCONTROLS...............................................................ALLDATAWRITTEN

图1-19求解

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出Solutionisdone提示栏，单击Close按钮关闭提示栏。

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）杳看隧道衬砌支护结构变形图

选择菜单MainMenu：Genera]Postproc-*PlotResuIts-*DeformedShape命令，弹出Plot

DeformedShape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。

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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沟变形图

由上图可知有些弹簧为受拉弹簧，这意味着该处土体受拉，这显然不符合常理，需要去除弹簧

并重新计算，直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。

确定受拉弹簧范围：

执行MainMenu-*GeneralPostproc-*ElementTable-*D3fineTable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。

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再执行MainMenu-*GeneralPostproc-*ElementTable—ListElemtable,在弹出的对话框里选

择NI,则弹出如图「22所示的显示各单元轴力的对话框。

从显示列表可以判断119,120,123,124号弹簧受

QPRETABCoo&ando

File拉（正值表示受拉，负值表示受压）。

113-19038.

114-14482.2）删除受拉弹簧单元

115-9872.7

116-5689.4选择菜单MainMenu：Preprocessor-Modeling-*

11?-2365.6

118-166.29Deletc-*Elements命令,打开一个删除单元选取对话框，

119888.61

1201027.1在输入栏中输入119,120,123,124,单击0K按钮。

1210.0000

选择菜单MainMenu：Preprocessor-*Modeling->

1220.0000

1231027.1

1DeletefNodes命令，打开,个删除节点选取对话框，在

*****POST1ELEMENTTABLE输入栏中输入119,120,123,124,单击0K按钮。再重

LISTING

新计算。

STATCURRENT

ELEMNI3）第二次求解

124888.61

125-166.29选择菜单MainMenu：Solution-*Solve-*CurrcntLS

126-2365.6

命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,

图1-22轴力

接受默认设置，单击0K按钮，开始求解计算，直到出现

■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Plot

DeformedShape对话框，选中De「+under「ormed,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「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。

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图1-23最终隧道结构变形图

5）保存计算结果

选择菜单UtilityMenu：FilefSaveas命令，打开SaveDatabase对话框，在SaveDatabase

to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Plot

DeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮，得到隧道结构变形图。

2）将节点弯矩、剪力、轴力制表

选择菜单MainMenu：General

Postproc-*E1ementTable-*DefineTable

命令，打开一个ElementTableData对话

框，如图1-24所示。单击Adc按钮，打开

一个DefineAdditionalElementTable

Items对话框,如图1-25所示。

在Userlabelforitem栏后面输入

MI,在Item,CompResultsdataitem栏

图1-24单元数据制表对话框

后面的左边下拉菜单中选取Bysequence

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num,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栏后面的左边卜,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

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1-26所示。

3）设置弯矩分布标题

选择菜单UtilityMenu：File-*ChangeTitle命CurrentvDefinedDataSML

TimeStampStatus

Time*10000lOrwrtl

令，出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入Time：10000|Orr«m|

Data«fromiartou5

BENDINGMOMENTdistribution,单击0K按钮关闭该

对话框。

4）画结构弯矩图

选择菜单MainMenu：Genera]Postproc-*Plot

OW!t

Results-*ContourPlot-LineElementResults命

令，打开一个PlotLine-ElementResults对话框，

如图1-27所示。在ElemtableitematnodeI栏后图1-26定义好后的单元数据表对

面的下拉菜单中选取ML在ElemtableiternatQPlotResultsQ

[PUS]PlotLine-ElementResult

nodeJ栏后面的下拉菜单中选取犯，在LabiElemtableitematnodeIMI▼

LabJElemtableitematncxleJ▼

Optionalscalefactor后面栏中输入T,在

FactOptionalscalefactor・i

Itemstobeplottedon栏后面选择DeformedKUNDItemstoplottedon

Undeformedshape

shape单选按钮,最后单击OK按钮,得到隧道♦Deformedshape

衬砌支护结构的弯矩图，如图1-28所示。

OKApplyCancelHelp

图1-27画结构弯矩图对话框

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图1-28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0K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ElemtableiternatnodeI栏后面的下

拉菜单中选取FI,在Elemtableitematnod。J栏后面的下拉菜单中选取FJ,在0Ptionalscale

factor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。

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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

选择菜单MainMenu：GeneralPoslproc—ListResults-*,ElementTableData命令,打开一

个LisiElementTableDala对话框，如图1-30所示。在Itemstobe1isled栏后面的下拉菜单

中选择MI、町、FI、FJ选项，然后单击0K按钮，打开单元数据表文件，如图1-31所示。

(4)选择菜单UtilityMenu：File-"Exit命令,出现ExitfromANSYS对话框,选择Quite-No

FilListEleoentTableDaS

(PRETABILis:ElementTableData

Labl-9ItemstobelistedMl

MJ

OKApplyCancelHelp

图1-30ListElementTableData对话框

Save!选项，单击OK按钮，关闭ANSYS。