1、工程結構破壞過程數值試驗題目名稱：隧道開挖支護結構受力分析 姓 名：XXX 班 級：XXX 學 號： XXX 指導教師：XXX 日 期：XXX 工程結構破壞過程數值試驗課程編號：課程名稱：工程結構破壞過程數值試驗 學生班級：學 號：目錄：1.題目12.問題描述13.數值分析對象，計算目的和擬解決的關鍵問題24.軟件扼要介紹；確定運用的模型及其參數。25.計算模型邊界條件與初始條件36.模擬荷載及荷載的動態變化67.確定計算的收斂評判依據88. 考察各環節簡化的合理性89.模型中與水的相互作用810. 求解運算811.確定后處理方法或反分析912.數值分析結果121.題目隧道開挖支護結構受力分析

2、2.問題描述選取某新建鐵路線上的隧道斷面，該斷面采用的支護結構如圖1所示。為保證結構的安全性，采用了載荷-結構模型。主要參數如下： 隧道腰部和頂部襯砌厚度是65mm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm； 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料； 隧道圍巖是IV級，洞跨是5.36m，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水壓，水壓0.2MPa。圖1 隧道支護結構斷面圖隧道圍巖級別是IV級，其物理力學指標及襯砌材料C30鋼筋混凝土的物理力學指標見表1。表1 C30鋼筋混凝土的物理力學指標名稱容重（KN/m3）彈性抗力系數K（MPa/m）彈性模量E（GPa）泊松比內摩擦角（。）凝聚力C（MPa）IV級圍巖223001.50.3

3、2 290.35C30鋼筋混凝土25 -30 0.2 542.42表2 載荷計算表載荷種類圍 巖 壓 力結 構 自 重水 壓（N/m3）垂直均布力（N/m3）水平均布力（N/m3）值8022516045通過ANSYS添加根據鐵路隧道設計規范，可計算出深埋隧道圍巖的垂直均布力和水平均布力，見表2。對于豎向和水平的分布載荷，其等效節點力分別近似取節點兩相鄰單元水平或垂直投影長度的一般襯砌計算寬度這一面積范圍內的分布載荷的總和。自重載荷通過ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水壓0.2MPa按照徑向方向再置換為等效節點力，分解為水平豎直方向加載。3.數值分析對象，計算目的和擬解決的關鍵問

4、題為了保證隧道施工和運行時間的安全性，必須對隧道結構進行受力分析。由于隧道結構是在地層中修建的，其工程特性、設計原則及方法與地面結構是不同的，隧道結構的變形受到周圍巖土體本身的約束。從某種意義上講，圍巖也是地下結構的載荷，同時也是結構本身的一部分。因此，不能完全采用地面結構受力分析方法來對隧道結構進行分析。當前，對隧道支護結構體系一般按照載荷結構模型進行演算，按照此模型設計的隧道支護結構偏于保守。再借助于有限元軟件實現對隧道結構的受力分析。4.軟件扼要介紹；確定運用的模型及其參數。 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航空

5、航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。本次模擬運用模型為載荷結構模型。載荷結構模型雖然都是以承受巖體松動、崩塌而產生的豎向和側向主動壓力為主要特征，但在對圍巖和支護結構相互作用的處理上，大致有三種做法：（1）主動荷載模型（2）主動荷載加被動荷載（彈性抗力）模型（3）實際荷載模型。隧道結構設計一般采用主動荷載加被動荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動荷載和被動荷載。主要參數如下： 隧道腰部和頂部襯砌厚度是6

6、5mm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm； 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料； 隧道圍巖是IV級，洞跨是5.36m，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水壓，水壓0.2MPa。5.計算模型邊界條件與初始條件圖2 單元類型庫對話框定義單元類型為“beam3單元”。圖3 定義隧道腰部和頂部BEAM3實常數1對話框隧道腰部和頂部襯砌支護結構BEAM3梁單元的橫截面積AREA：0.65、慣性矩IZZ：0.、高度HEIGHT：0.65；圖4 定義隧道腰部和頂部BEAM3實常數2對話框 隧道腰部和頂部襯砌支護結構BEAM3梁單元的橫截面積AREA：0.85、慣性矩IZZ：0.、高度HEIGHT：0.85圖5 COMBIN1

7、4實常數對話框（1）創建隧道襯砌支護關鍵點：表3 關鍵點坐標關鍵點號XYZ關鍵點號XYZ1 0 0054.025.502 03.85064.93.85030.885.5074.90042.456.150 創建隧道襯砌支護線模型圖6 畫弧線對話框分別在圖6欄中依次輸入3.21，2，3，6；2.22，3，4，6；2.22，4，5，2；3.21，5，6，2；8.13，6，7，2；6，7，1，4。最后單擊OK按鈕生成隧道襯砌支護線模型。圖7 隧道襯砌支護線模型圖8 隧道支護單元圖圖9 定義彈簧單元對話框圖10 添加彈簧單元后的單元網格圖6.模擬荷載及荷載的動態變化 給彈簧單元施加約束圖11 為節點施加

8、位移約束對話框 施加重力加速度圖12 施加重力加速度對話框 對隧道襯砌支護施加圍巖壓力圖13 施加節點力對話框 對隧道仰拱施加水壓節點18：FX=-，FY=70381，節點19：FX=-，FY=50101；節點20：FX=-，FY=13093；節點21：FX=0；FY=；節點22：FX=13093，FY=；節點23：FX=，FY=50101；節點24：FX=，FY=70381。最后得到施加約束和載荷后隧道襯砌支護結構模型圖：圖14 施加約束和載荷后隧道結構模型7.確定計算的收斂評判依據（1） 模型主要是結構剛度的大小；（2） 線性算法（求解器）；（3） 非線性逼近技術；（4） 加快計算速度；（

9、5） 荷載步的設置直接影響到收斂。8. 考察各環節簡化的合理性將隧道結構簡化為載荷結構模型中的主動荷載和被動荷載模型，此模型認為圍巖不僅對支護結構施加主動荷載，而且由于圍巖與支護結構的相互作用，還會對支護結構施加約束反力。該模型廣泛應用于我國鐵路隧道，并且在實使用中，它基本能反映出支護結構的實際受力情況。計算荷載階段只考慮圍巖壓力、支護結構自重、地下水壓力、圍巖的彈性抗力，其他荷載不予考慮。9.模型中與水的相互作用隧道模型與水環境之間的作用鏈，包括水環境對于隧道工程作用以及隧道工程對于水環境作用兩方面。其中水環境對其作用主要是隧洞涌，漏水與承受水壓力。在含水層開挖隧道，因其洞頂有著一定程度的地

10、下水，導致隧道洞中產生突水以及涌水現象，而后進行的隧道襯砌承受水的靜水壓力。而隧道工程對于水環境的反作用則導致隧道洞頂環境災害。隧道的涌排水則使得地下水逐步排干，水文地質條件不斷惡化，地下水位持續下降，地下漏斗不斷擴展，導致洞頂的地表水資源枯竭，水環境平衡被破壞，最終引發生態環境惡化甚至地面塌陷等自然災害。10. 求解運算圖15 求解選項信息圖16 當前求解載荷步對話框11.確定后處理方法或反分析后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結果，對于隧道結構的受力分析，很重要的一點就是進入處理器后，觀察結構受力變形圖，根據彈簧單元只能受壓的性質，去掉受拉彈簧，在進行求解，隨后再觀察結構受力變形圖，看有沒有受拉彈簧；如此反復，知道受力圖形中再無受拉彈簧為止。這時，就得到隧道結構受力分析的正確結果，進去后處理器，繪出隧道支護結構的變形圖、彎矩圖、軸力圖和剪力圖，列出各單元的內力和位移值，以及輸出結構的變形圖和內力圖。 圖17 沒有受拉彈簧時的隧道結構模型圖圖18 初次分析計算隧道襯