隧道衬砌结构强度检算讲义

一、衬砌结构的计算模型
隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。

这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。

根据本工程浅埋及松散地层的特点，使用阶段结构安全性检算采用“荷载—结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。

支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。

计算模型中，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧底地基均采用弹簧单元模拟。

组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。

具体计算模型见图1。

图1 计算模型
二、荷载计算
围岩压力计算参照课本中有关我国铁路隧道推荐的方法进行确定（双线隧道）或参照《铁路隧道设计规范》，深浅埋分别计算。

三、配筋计算
结构强度检算和配筋计算应按照现行《铁路隧道设计规范》的方法进行。

四、ANSYS操作过程
1、更改路径和工作名
2、进入前处理模块（preprocessor）
(1)定义单元类型element type
(2)定义实常数real constant
(3)定义材料参数material props
(4)定义梁的截面特性sections
(5)进入modeling进行建模，生成几何模型
(6)进行网格划分meshing
a)给几何模型赋属性
meshing>mesh attribute>picked lines
(7)施加弹性约束
Model>Creat>piping models>spring support
定义弹性抗力系数K和距离所选结构节点的相对距离DX, DY, DZ。

加弹簧：
！水平,在y轴左侧为-0.3；在y轴右侧为0.3
*do,i,10,31
a=150000000
k=a*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2
psprng,i,tran,k, -0.3, ,
*enddo
！竖向
*do,i,10,31
a=150000000
k=a*abs(nx(i+1)-nx(i-1))/2
psprng,i,tran,k, , -0.3,
*enddo
3、进入求解器solution
(1)定义分析类型analysis type>new analysis>static
(2)定义荷载define loads
(3)设置荷载添加形式setting>replace vs add>force，按如下图示设置
(4)施加等效节点力
define loads>apply>force(编程实现)
(5)施加重力
define loads>apply>inertia>gravity>global
(6)求解计算
Solve>current LS
4、后处理（general postproc）
(1)读入结果
Read results>last set
(2)查看变形图，（plot results>deformed shape）检查弹簧约束范围是否正确（所有弹簧均应受压，即处于抗力区）否则添加或删除弹簧单元，重新计算。

(3)定义单元表
Element table>define table，出现对话框后点击add按钮，出现下列对话框：
选择by sequence num 并在右下角SMISC,后分别键入数字“6”后点击apply按钮。

重复上述操作并分别键入数字“12”和“1”和，点击OK，完成弯矩和轴力的定义。

(4)查看内力图
plot results>contour plot>line elem res，查看弯矩云图
查看轴力图
(5)存储显示图形
Plotctrls>capture image,将文件另存即可。

(6)列表显示计算结果
List results>elem table data
出现对话框，选择单元表定义的内容，点击ok。

然后将文件另存即可。

附注：加载程序示意
1.均布荷载
(1)y方向荷载施加
*do, i, 1, 10
a=q*abs(nx(i)-nx(i+1))/2
f, i, fy, a
f, i+1, fy, a
*enddo
(2)x方向荷载施加
*do, i, 1, 10
a=q*abs(ny(i)-ny(i+1))/2
f, i, fx, a
f, i+1, fx, a
*enddo
2.梯形荷载
*set,shuxiang,292608.9
*set,shangce,78149.5
*set,xiace,127057.6
!竖向荷载
*do,i,5,18
a=-shuxiang*0.5*abs(nx(i)-nx(i+1))
f,i+1,fy,a
f,i,fy,a
*enddo
!左水平荷载(11.82为梯形的高度)
！3指梯形上底对应的节点号
！12指梯形下底对应的节点号
*do,i,3,11
a=abs(ny(i)-ny(3))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(3))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
*do,i,22,26
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
a=abs(ny(1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(3)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,3,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,1,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
a=abs(ny(1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(22)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,22,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,1,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
!右水平荷载
*do,i,12,20
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,-(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,-(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
*do,i,27,31
a=abs(ny(i)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce
b=abs(ny(i+1)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,i+1,fx,-(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,i,fx,-(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
*enddo
a=abs(ny(2)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(21)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,21,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,2,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
a=abs(ny(2)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce b=abs(ny(32)-ny(12))*(xiace-shangce)/11.82+shangce f,32,fx,(a/6+b/3)*abs(ny(i)-ny(i+1))
f,2,fx,(a/3+b/6)*abs(ny(i)-ny(i+1))
上述程序中，i为节点号，q为竖向围岩压力，a为等效节点力计算中间值，nx(i)为i节点的水平坐标值，竖直坐标用ny(i)表示。