第4章教案-ANSYS隧道工程应用实例分析(3)

3.2.3 初始地应力的模拟

在模拟隧道施工过程中，初始地应力模拟是很重要的。在ANSYS中，可以有两种方法实现初始地应力的模拟。

方法一是只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。这种方法简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。缺点是计算出来的应力场与实际应力场有偏差，并且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析的后续施工时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧道的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，必须减去初始位移场。 方法二是采用读起初始应力文件的方法。在进行结构分析时，ANSYS中可以使用读入初始应力文件来把初始应力定义为一种荷载。因此，当具有实测初始地应力资料时，可将初始地应力写成初始营利荷载文件，然后作为荷载条件读入ANSYS，随后就可以直接进行第一步的开挖计算。计算得到的应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，不需要进行加减。

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 3.2.4 开挖与支护及连续施工的实现

根据4.2.1所介绍单元生死可以实现材料的消除与添加，而隧道的开挖与支护正好比材料的消除与支护，因此可以在ANSYS中用单元生死来实现隧道开挖与支护的模拟。隧道开挖时，先直接选择被开挖掉的单元，然后将这些单元杀死，从而实现隧道的开挖模拟。进行隧道支护时，先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活后，具有零应变状态，并且把这些单元的材料属性改为支护材料的属性，这样就实现了隧道支护的模拟。

此外，单元的生死状态还可以根据ANSYS的计算结果（如应力或应变）来决定。例如，在模拟过程中，用户可以将超过允许应力或允许应变的单元杀死，模拟围岩或结构的破坏。 利用ANSYS程序中的荷载步功能可以实现不同工况间的连续计算，从而实现对隧道连续施工的模拟。具体可参照4.2.1.3单元生死使用。首先建立开挖隧道的有限元模型，包括将来要被杀死（挖掉）和激活（支护）的部分，在ANSYS模拟工程不需要重新划分网格。在前一个施工完成后，便可以直接进行下一道工序的施工，即再杀死单元（开挖）和激活单元（支护），再求解，重复步骤直至施工结束。

4.3 ANSYS隧道结构受力实例分析

4.4.1 ANSTS隧道结构受力分析步骤

为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不同的，隧道结构的变形受到周围岩土体本身的约束，从某种意义上讲，围岩也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分，因此不能完全采用地面结构受力分析方法来对隧道结构进行分析。当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。再借助有限元软件（如ANSYS）实现对隧道结构的受力分析。

ANSYS隧道结构受力分析步骤： 1．荷载—结构模型的建立 2．创建物理环境

3．建立模型和划分网格 4．施加约束和荷载 5．求解

6．后处理（对结果进行分析）

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 4.4.1.1 荷载—结构模型的建立

本步骤不在ANSYS中进行，但该步骤是进行ANSYS隧道结构受力分析前提。只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地阻止周围岩体变形而产生松动压力，隧道的支护结构就应该按荷载—结构模型进行验算。隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现的。 本步骤主要包含2项内容：

? 选择荷载—结构模型 ? 计算荷载

1．选择荷载—结构模型

荷载—结构模型虽然都是以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，但对围岩与支护结构相互作用的处理上，大致有三种做法： （1）主动荷载模型

此模型不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。此模型主要适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌变形情况，如采用明挖法施工的城市地铁工程及明洞工程。 （2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型

此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还会对支护结构施加约束反力。因为在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就会对支护结构产生反作用力来约束它的变形，这种反作用力称为弹性抗力。而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓“脱离区”。这种模型适用于各种类型的围岩，只是所产生的弹性抗力不同而已。该模式广泛地应用于我国铁路隧道，基于这种模式修建了好几千公里的铁路隧道，并且在实际使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力状况。 （3）实际荷载模型

这种模型采用量测仪器实地量测到的作用在衬砌上的荷载值代替主动荷载模型中的主动荷载。实地量测的荷载值包含围岩的主动压力和弹性抗力，是围岩与支护结构相互作用的综合反映。切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而改善结构的受力情况。但要注意的是，实际量测的荷载值，除与围岩特性有关外，还取决与支护结构刚度及支护结构背后回填的质量。

2．计算荷载

目前隧道结构设计一般采用主动荷载加被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动荷载和被动荷载，可见表2-2。进行ANSYS隧道结构受力分析时，一般要进行计算以下几种隧道荷载：

（1）围岩压力

围岩压力是隧道最主要的荷载，主要根据相关隧道设计规范进行计算。对于铁路隧道，可以根据〈〈铁路隧道设计规范〉〉进行计算。

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 （2）支护结构自重

支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。 （3）地下水压力

在含水地层中，静水压力可按照最低水位考虑。 （4）被动荷载

被动荷载即围岩的弹性抗力，其大小常用以温克列尔假定为基础的局部变形理论来确定。该理论认为围岩弹性抗力与围岩在该点的变形成正比，用公式表示为：

?i?K?i (3-14)

式中：

?i——围岩表面上任意一点的压缩变形，单位——m；

? ?i——围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位——Mpa；

? K——围岩弹性抗力系数，单位——Mpa/m。

? 对于列车荷载、地震力等其它荷载，一般情况可以忽略不计算。 3.3.1.2 创建物理环境

在定义隧道结构受力分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个隧道结构体的数学仿真模型。按照以下几个步骤来建立物理环境：

1、 设置GUT菜单过滤

如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：Main Menu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图3-2所示的对话框出现后，选择Structural。这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行隧道结构受力分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。

2、 定义分析标题（／TITLE） 在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“Tunnel Support Structural Analysis”，以便能够从标题上与 …… 此处隐藏：1696字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……