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1、ANSYS隧道結構設計受力實例分析3.3ANSYS隧道結構受力實例分析3.3.1ANSTS隧道結構受力分析步驟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荷載，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荷載—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。再借助有限元軟件（如ANSYS）實現(xiàn)對隧道結構的受力分析。ANSY
2、S隧道結構受力分析步驟：1．荷載—結構模型的建立2．創(chuàng)建物理環(huán)境3．建立模型和劃分網(wǎng)格4．施加約束和荷載5．求解6．后處理（對結果進行分析）3.3.1.1荷載—結構模型的建立本步驟不在ANSYS中進行，但該步驟是進行ANSYS隧道結構受力分析前提。只要在施工過程中不能使支護結構與圍巖保持緊密接觸，有效地阻止周圍巖體變形而產生松動壓力，隧道的支護結構就應該按荷載—結構模型進行驗算。隧道支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對支護結構施加約束來體現(xiàn)的。本步驟主要包含2項內容：u選擇荷載—結構模型u計算荷載1．選擇荷載—結構模型荷載—結構模型雖然都是以承受巖體松動、崩塌而產
3、生的豎向和側向主動壓力為主要特征，但對圍巖與支護結構相互作用的處理上，大致有三種做法：（1）主動荷載模型此模型不考慮圍巖與支護結構的相互作用，因此，支護結構在主動荷載作用下可以自由變形，其計算原理和地面結構一樣。此模型主要適用于軟弱圍巖沒有能力去約束襯砌變形情況，如采用明挖法施工的城市地鐵工程及明洞工程。（2）主動荷載加被動荷載（彈性抗力）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。因為在非均勻分布的主動荷載作用下，支護結構的一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就會對支護結構產生反作用
4、力來約束它的變形，這種反作用力稱為彈性抗力。而支護結構的另一部分則背離圍巖向著隧道內變形，不會引起彈性抗力，形成所謂“脫離區(qū)”。這種模型適用于各種類型的圍巖，只是所產生的彈性抗力不同而已。該模式廣泛地應用于我國鐵路隧道，基于這種模式修建了好幾千公里的鐵路隧道，并且在實際使用中，它基本能反映出支護結構的實際受力狀況。（3）實際荷載模型這種模型采用量測儀器實地量測到的作用在襯砌上的荷載值代替主動荷載模型中的主動荷載。實地量測的荷載值包含圍巖的主動壓力和彈性抗力，是圍巖與支護結構相互作用的綜合反映。切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而改善結構的受力情況。但要注意
5、的是，實際量測的荷載值，除與圍巖特性有關外，還取決與支護結構剛度及支護結構背后回填的質量。2．計算荷載目前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，可見表2-2。進行ANSYS隧道結構受力分析時，一般要進行計算以下幾種隧道荷載：（1）圍巖壓力圍巖壓力是隧道最主要的荷載，主要根據(jù)相關隧道設計規(guī)范進行計算。對于鐵路隧道，可以根據(jù)〈〈鐵路隧道設計規(guī)范〉〉進行計算。（2）支護結構自重支護結構自重可按預先擬定的結構尺寸和材料容重計算確定。（3）地下水壓力在含水地層中，靜水壓力可按照最低水位考慮。（4）被動荷載被動荷載即圍巖的彈性抗
6、力，其大小常用以溫克列爾假定為基礎的局部變形理論來確定。該理論認為圍巖彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比，用公式表示為：(3-14)式中：——圍巖表面上任意一點的壓縮變形，單位——m；u——圍巖在同一點的所產生的彈性抗力，單位——Mpa；u——圍巖彈性抗力系數(shù)，單位——Mpa/m。u對于列車荷載、地震力等其它荷載，一般情況可以忽略不計算。3.3.1.2創(chuàng)建物理環(huán)境在定義隧道結構受力分析問題的物理環(huán)境時，進入ANSYS前處理器，建立這個隧道結構體的數(shù)學仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、設置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運行ANSYS，當ANSYS被激
7、活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑：MainMenu>Preferences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個如圖3-2所示的對話框出現(xiàn)后，選擇Structural。這樣ANSYS會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進行過濾，選擇Structural以便在進行隧道結構受力分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應圖形界面。2、定義分析標題（／TITLE）在進行分析前，可以給你所要進行的分析起一個能夠代表所分析內容的標題，比如“TunnelSupportStructuralAnalysis”，以便能夠從標題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。用下列方法定義分析標題。命令
