隧道结构受力分析(提交)

《工程结构破坏过程数值试验》

题目名称：隧道开挖支护结构受力分析

姓名：XXX

班级：XXX

学号： XXX

指导教师：XXX

日期：XXX

《工程结构破坏过程数值试验》

课程编号：

课程名称：工程结构破坏过程数值试验

学生班级：

学号：

目录：

1.题目 (1)

2.问题描述 (1)

3.数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题 (2)

4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。 (2)

5.计算模型边界条件与初始条件 (3)

6.模拟荷载及荷载的动态变化 (6)

7.确定计算的收敛评判依据 (8)

8. 考察各环节简化的合理性 (8)

9.模型中与水的相互作用 (8)

10. 求解运算 (8)

11.确定后处理方法或反分析 (9)

12.数值分析结果 (12)

1.题目

隧道开挖支护结构受力分析

2.问题描述

选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。

主要参数如下：

⑴隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；

⑵采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；

⑶隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；

⑷隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。

图1 隧道支护结构断面图

隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表1。

表1 C30钢筋混凝土的物理力学指标

名称

容重γ

（KN/m3）

弹性抗力系

数K（MPa/m）

弹性模

量E

（GPa）

泊松比ν

内摩擦

角ϕ（。）

凝聚力

C（MPa）

IV级围岩22 300 1.5 0.32 29 0.35

C30钢筋混

凝土

25 - 30 0.2 54 2.42

根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表2。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。

3.数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题

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载荷，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载荷—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。再借助于有限元软件实现对隧道结构的受力分析。

4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。

本次模拟运用模型为载荷—结构模型。载荷—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，但在对围岩和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（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型（3）实际荷载模型。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。

主要参数如下：

⑴隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；

⑵采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；

⑶隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；

⑷隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。

5.计算模型边界条件与初始条件

图2 单元类型库对话框

定义单元类型为“beam3单元”。

图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.65、惯性矩IZZ：0.022885417、高度HEIGHT：0.65；

图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框

隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.85、惯性矩IZZ：0.05117833、高度HEIGHT：0.85

图5 COMBIN14实常数对话框

（1）创建隧道衬砌支护关键点：

关键点号X Y Z 关键点号X Y Z

1 0 0 0 5 4.0

2 5.5 0

2 0 3.85 0 6 4.9 3.85 0

3 0.88 5.5 0 7 4.9 0 0

4 2.4

5 6.15 0

⑵创建隧道衬砌支护线模型

图6 画弧线对话框

分别在图6栏中依次输入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。最后单击OK按钮生成隧道衬砌支护线模型。