隧道ansys计算程序算例——荷载结构模式
盾构隧道管片衬砌结构——荷载结构模型
块
六块方案。
工程名称
分块
管片宽度/m 最小曲率半径/m
南京地铁1号线
K(21.5 )+2L(68 )＋3B(67.5 )
1.2
400
管
南京地铁2号线
K(21.5 )+2L(68 )＋3B(67.5 )
1.2
400
片
幅
北京地铁5号线 K(22.5 )+2L(67.5 )＋3B(67.5 )
1.2
300
国内外管片结构设计方法
国家
管片结构设计模型
入江健二（1993）
ITA（1978）
澳大利亚 全周弹簧模型
不详
奥地利 全周弹簧模型
弹性地基圆环法
西德 法国
局部弹簧模型（覆土深≤2d） 全周弹簧模型（覆土深≥2d）
全周弹簧模型或有限元法
中国 日本 西班牙 英国
均质圆环法或弹性铰模型
惯用设计法、梁-弹簧 模型
通用管片环
通过一种楔形环管片模拟线路、曲线及施工纠偏，管 片拼装时，衬砌环需扭转多种角度，封顶块有时会位 于隧道下半部，工艺相对复杂，大大降小模具数量， 降低造价。
Δ/2 Δ/2
直线段
外
d
内
d
封顶块
曲线段
通用管片环
平面视图
我国盾构技术概况 国内地铁盾构隧道管片结构的设计及使用
衬
楔形衬砌环与直线衬砌环的组合
脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定
2.4衬砌结构的力学模型和计算方法
衬砌结构 力学模型
衬砌本 体模型
特征
接头(接缝) 参数 模型
接头 刚度
环向接头刚度 纵向接头刚度
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟发表时间：2019-11-08T13:51:17.953Z 来源：《基层建设》2019年第23期作者：李星李金会苏井高蒋辉林静[导读] 摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
中国建筑土木建设有限公司北京 100070摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。
关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。
在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。
一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。
在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。
基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。
隧道结构设计检算
第3章隧道结构设计检算3.1 隧道结构设计检算方法隧道结构的设计检算包括对初期支护和二次衬砌的设计检算，本章只介绍对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行检算。
二次衬砌的设计检算采用荷载-结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。
整个设计检算过程如下：(1)由隧道的纵断面图，确定隧道的围岩级别及相应埋深；(2)根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；(3)由《铁路隧道设计规范》，计算围岩压力并确定典型计算断面；(4)采用荷载-结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；(5)由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。
3.2 隧道衬砌荷载计算3.2.1 各级围岩段基本情况根据大瑶山隧道的纵断面图，可得该隧道的围岩级别及长度、隧道埋深等数据，见表3-1所示：表3-1 大瑶山隧道各围岩段情况围岩级别长度（m）隧道埋深（m）Ⅱ320 281.60～363.74Ⅲ7425 26.06～650.00Ⅳ1880 7.24～554.28Ⅴ703 0～27.63 大瑶山隧道为时速250km/h的客专双线铁路隧道，设计所给的建筑限界及衬砌内轮廓是相同的，但由于隧道所处围岩级别的不同，其采用的复合式衬砌的形式和厚度也会有所不同，从而导致各围岩段隧道开挖轮廓线的不同。
各级围岩段隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表3-2所示。
表3-2 隧道开挖净高和净宽围岩级别开挖净高(m) 开挖净宽(m)Ⅳ 12.13 14.42 Ⅴ 12.48 14.623.2.2 荷载计算方法(1)隧道深浅埋的判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。
根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：(3-1)式中，p H ――深浅埋隧道分界的深度(m)； q h ――等效荷载高度值(m)；系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。
ansys隧道开挖实例
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的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3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
隧道及地下工程ANSYS实例分析_第5章_双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析[1]
![隧道及地下工程ANSYS实例分析_第5章_双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/85e80cf87c1cfad6195fa70a.png)
5.1二次衬砌结构力学分析/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM，/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM，Structural!/PREP7 !进入前处理器ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型ET，2，COMBIN14 !设置弹簧单元类型R，1，0.4，0.0053333，0.4，，，，!设置梁单元几何常数R，2，400e6，，，!设置弹簧单元几何常数MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度SAVE !保存数据库1．建立几何模型K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）K, 2, 4.71, -1.82, ,K, 3, -4.71, -1.82, ,K, 4, 0, -3.75, ,K, 5, 0, 5.05, ,K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）K, 30, -5.6, -2.16, ,K, 40, 0, -4.75, ,K, 50, 0, 6, ,!创建隧道衬砌线LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）LARC, 5, 3, 1, 5.05,LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）第1章大型有限元软件ANSYS简介2 ! 创建地层弹簧线LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）LARC,50, 30, 1, 6,LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）SAVE !保存数据2．单元网格划分设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
隧道明洞允许回填高度ANSYS数值模拟分析实例
明洞堆载数值模拟报告1数值建模采用ANSYS软件对明洞的回填过程进行数值模拟，以平面应变法进行计算，采用PLANE42实体单元模拟明洞、周围土体及片石混凝土，采用LINK1杆单元模拟钢筋。
由于其为明挖结构，因此不考虑周围土体的拱效应。
明洞左右各取3倍的跨径作为计算范围，明洞底部取单倍洞高作为计算范围，顶部土体取为4m。
对于6m、8m、10m、12m的回填土，以在隧道顶部施加均布荷载的方式进行模拟，压载土的容重为1950kg/m3。
设置其为拉普拉森算法。
设计参数：钢筋直径取为Φ25，明洞为C30混凝土，锁定回填为C15片石混凝土。
堆载14m时，下部4m采用回填土，土的容重取为1950kg/m3，上部10m 采用炉渣填筑，炉渣的容重取为1300kg/m3，较常规的800 kg/m3，1.625的安全系数。
表1 数值模型参数表图2.1明洞与周围土体单元网格图2.2模型加载土图2.3明洞衬砌与配筋图图2.4明洞结构配筋图图2.5明洞结构与片石混凝土网格图根据《公路隧道设计规范》，C30混凝土的极限弯曲抗压强度为R W=28.1MPa，极限抗拉强度为R l=2.2MPa。
2计算结果2.1回填土高8m图2.1填土高度为8m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.25MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。
若进一步增加填土，则该位置混凝土有可能产生拉裂。
图2.2填土高度为8m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为8m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为3.96MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。
明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。
2.2回填土高10m图2.3填土高度为10m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。
ANSYS系统在隧道结构计算中应用条件
浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件摘要：在公路隧道设计与施工中，为了提前判断在开挖和支护工程中隧道的结构安全性，隧道结构计算的数值研究方法就成为了一种重要的设计依据和施工控制措施。
本文提供了一种方法，即利用ansys软件模拟隧道结构在开挖个步骤中的计算模式与应用条件。
关键词：隧道结构ansys模拟隧道的结构分析是利用工程力学原理，选取合理的介质，通过相似模型体系对其结构进行计算，具体过程一般通过两个途径来进行，其一是利用相似性理论，采取合理的相似系数，在室内通过模型试验来模拟实际的工程问题。
其二是数值计算，这种方法伴随着计算机的发展有了长足的进步。
目前，伴随着岩土力学的发展，再加上计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
有限元法先将结构分解为有限的小单元，在每一个单元上，利用弹性力学、弹塑性力学等力学理论建立力学性能参数之间的关系，然后根据位移或者应力协调条件把这些小单元组合起来，求出整体结构的力学特征。
因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组，而矩阵代数建立的方程组非常方便与计算机的存储与求解，所以，有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。
1模型的建立利用ansys来模拟隧道开挖过程，有两种建模方法，一个是建立真三维的模型，三维模型不仅可考虑围岩的流变特性，还能考虑开挖和支护的空间效应，能保证较好的计算精度。
但是建模复杂，计算时间长，且费用较高。
另一种建模方法是建立二维模型，即按平面应变问题来处理，隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多 ,在忽略掘进的空间效应及岩石流变效应的影响时 ,计算模型取为平面应变是可行的。
另外，可以通过各阶段相应的初始应力释放系数来考虑开挖过程和支护时间早晚对围岩及支护受力的影响。
本文采用后者建立有限元模型。
相对于整个岩体而言，开挖所引起的应力重分布的区域是有限的，因而要确定计算模型的范围。
实践和理论分析表明，对于地下洞室开挖后的应力应变，仅在洞室周围距洞室中心点3～5倍洞室开挖宽度（或高度）的范围内存在实际影响。
第三章隧道施工过程数值模拟方法与ANSYS实现
第三章隧道施工过程数值模拟方法与ANSYS实现2.1隧道施工过程数值模拟方法2.1.1开挖（卸载）的模拟①基本的模拟思想隧道开挖时破坏了岩体内有的应力平衡，围岩内的各点在地应力的作用下，在一定范围内围岩产生位移，形成松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质恶化，也就是我们所说的“二次应力场”。
隧道的开挖导致围岩应力场及位移场的变化，一般都是通过卸载过程来实现的。
在对卸载过程进行模拟时，通常有采用的就是在已知边界初始地应力作用下，沿预定开挖线进行的“开挖卸载模拟方法”。
这种方法的位移场真实地反应了开挖所引起的位移变化，是工程需要了解的重要部分。
②实现卸载的具体方法正确模拟卸载过程的效果是地下工程数值模拟的一个重要课题。
开挖卸载之前，沿开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态，开挖使这些边界的应力解除，也就是我们所说的卸载，从而引起围岩变形和应力场的变化。
对上述过程的模拟通常所采用的方法有两种：“反转应力释放法”和“地应力自动释放法”。
“反转应力释放法”是把沿开挖边界上的初始地应力反向后转换成等价的“释放荷载”，施加与开挖边界，在不考虑初始地应力的情况下进行有限元分析，将由此得到的围岩位移作为由于工程开挖卸载产生的岩体位移，由此得到的应力场与初始应力场叠加即为开挖后的应力场。
对于大型的地下工程或者复杂的施工方法，应力场多次叠加，使得分析过程过于繁杂，另外，进行弹塑性分析时，由于应力场需要叠加，对围岩屈服的判断需做特殊的处理，增加了分析的复杂度，降低了分析的准确性。
“地应力自动释放法”则是认为隧道的开挖打破了开挖边界上各点的初始应力平衡状态，开挖边界上的节点受力不平衡，为获得新的力学平衡，围岩就要产生相应的变形，引起应力的重分布，从而直接得到开挖后围岩的应力场和位移场。
分部开挖时，对于每一步的开挖，将这一步被开挖的单元变为“空单元”，即在开挖边界产生新的力学边界条件，然后直接进行计算就可以得到工况开挖后的结果，接着可用同样的方法进行下一步的开挖分析。
一个隧道计算书
一、 结构尺寸隧道内径：5400;隧道外径：6000;管片厚度：300mm 管片宽度：1500mm 二、 计算原则选择区间隧道地质条件较差、隧道埋深较大、地面有特殊活载（地面建筑物 桩基、铁路线等）等不同地段进行结构计算。
三、 计算模型计算模型采用修正惯用设计法。
考虑管片接头影响，进行刚度折减后按均质圆 环进行计算；水平地层抗力按三角形抗力考虑；计算结果考虑管片环间错缝拼装 效应的影响进行内力调整。
弯曲刚度有效率 n =0.8，弯矩增大系数E =0.3。
计算 简图如下图所示。
使用ANSYS?序软件进行结构计算。
四、 计算荷载荷载分为永久荷载、活载、附加荷载和特殊荷载等四种。
1） 永久荷载：管片自重、水土压力、上部建筑物基础产生的荷载。
考虑地层特征 采取水土合算或水土分算。
2） 活载：地面超载一般按20KN/m 计；有列车通过地段按40KN/m 计。
3） 附加荷载：施工荷载一一盾构千斤顶推力，不均匀注浆压力，相邻隧道施工影 响等。
4） 特殊荷载：地震力一一按抗震基本烈度为7度计算，人防荷载按六级人防计算， 按动载化为静载计算。
五、 内力计算1、一般地段：地质条件较差、埋深较大地段（地面超载 20KN/m ）:里程YCK5+990地面超载压力基底竖向反力修正惯用设计法计算模型计算模型节点划分选取地质钻孔为MEZ2-A073隧道埋深约33.9m,地下水位在地面下5.0m。
地层由上至下分别为<1>-7.3m； <5-1>-39.2m ; <5-2>-20m。
隧道所穿过地层为<5-2>。
隧道横断面与地层关系如下图所示：<!> [<5- 1 >O<5 —2>隧道横断面与地层关系2、列车通过地段：地面超载 40KN/m，里程YCK6+050选取地质钻孔为 MEZ2-A166隧道埋深约35.5m,地下水位在地面下12.5m。
ANSYS公路隧道二次衬砌受力分析
课程设计任务书题目_________一、设计的目的学会利用ANSYS的功能分折隧道二次衬硕等一些相对复杂的结构, 使对ANSYS的操作更加娴熟,更好的投入实际应用。
二.设计的内容及要求设计内容二某高速公路隧道，采用矿山法施工，隧道V级国岩中.其用岩埋深为21.17 3m,隧道内断面轮廓如下图，釆用（；：3（）混凝七,厚度为5Dcnu做岀内力图，列岀各单元内力值°《二衬荷我按照计算荷我的3 0%计算,并保留三位小数》操作步骡：1。
1 指定工作文件名。
执行"开始一程序-^ANSYS-^ANSYS Product Laun c h e r "菜单命令创建J o b Nam e^/Mechanical anal y s i s on pe r mane nt lining of tu n ne 1 i n Exp r es s - w ayU 2定义分析标题执行“Util 1 t y Me nu-File -Change Ti t le”菜单命令，在对话框中输入14 Meeh an i c al a n alysis on p erm an ent 1 ining o f tun nel in E x p r e ss—way?,Ma in Menu^p r ef e re nee r s 在弹岀的菜单选择str u c t u raLlo 3定艾单元类型执行"Main Menu P r ep r ocess-* Element Typ e -* Add/Edi t / De 1 ete ” 然后执行:add-* b e a mf 2D elas t i c 3 0 K；再 A d d C 0MBIN-* Spri n g—damperl4—OK 关闭窗口。
1。
4定义单元实常数执行Ma I n Menu^P r ep r o cessor-*R e a 1 Const a n t s-*A d. d/Edi t/ D el e te-^ a dd-*ok-*Ty p e 1 BEAM3 -* 0 K-*Real Con s tant Se t No.栏中输入1,在AREA栏辆入0. 5-在IZZ ＜惯性矩）栏输入0. 5^0. 5*0. 5 */12 -HE I GHT（高度〉栏输入0. 5-Apply;同理定义弹簧实常数k, 10 D e6o1. 5定义材料属性1、执行：Ma i n M e nu~* P rep roce $ sor-* Ma t eri a 1 props-1"Material Mod e Is—Struct u r al^Li n e ar^E 1 a stic-^Isotr o pic^在弹性模最 E 艮栏输入3 0 e9—在FRXY栏输入0. 2-0K,再点击Density, DENS栏输入2 50 0 -*执行“Meteria I -New Modle\ 单击OK,取击Iso tropic,在EX 栏填写IE 9,在P R XY栏填写0. 35,单击OK,双击Density,在DE NS栏填写1800,单击OK,关闭对话框；1 . 6定义截面属性Main Men u -* P repr o ce $ sor-*sec t ions-*Beam-*Common sections-*B 中输入，1—在H 中输入0. 5-oklo 7建立几何模型(1)执行：Ma i n Menu-*' p r eprocessor-^ Model i ng-* Great e -►Key p o in t s-*in ac tive CS~＞依次输入坐标点1 C D , D )点击Ap p 1 y ,如此依次输入，2(—3. 3 4, 0 ). 3 (3o 34,0), 4(0, 1 1. 37),点击OK。
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选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的别岩槽隧道某断面，该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。为保证结构的安全性，采用了荷载—结构模型，利用ANSYS对其进行计算分析。
主要参数如下： 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm。 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。 隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是米，深埋隧道。 隧道仰拱下承受水压，水压。
图 3-3 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3-3所示。
表3-3 物理力学指标 名称 容重 （3/mkN） 弹性抗力系数 K（MPz/m） 弹性模量 E（GPa） 泊松比 v 内摩擦角 （。） 凝聚力 C（MPa）
Ⅳ级围岩 22 300 29 C30钢筋 混凝土 25 - 30 54
表3-4 荷载计算表 荷载 种类 围岩压力 结构自重 水压 N/m3 垂直匀布力N/m3 水平匀布力N/m3
值 80225 16045 通过ANSYS添加 200000 根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力和水平匀布力。对于竖向和水平的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临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荷载的总和。自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。 GUI操作方法 创建物理环境 1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到“ Product Launcher”对话框。
2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\example301”，在“Job Name”栏输入文件名“Support”。
3）单击“RUN”按钮，进入的GUI操作界面。 4）过滤图形界面：Main Menu> Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
5）定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Tunnel Support Structural Analysis”，单击“OK”，如图3-4所示。
图3-4 定义工作标题 6）定义单元类型：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，如图3-5所示，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框，如图3-6所示。在该对话框左面滚动栏中选择“Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D-elastic 3”，单击“Apply”，定义了“Beam3”单元。再在左面滚动栏中选取“Combination”，右边的滚动栏中选择“Spring-damper 14”，如图3-7所示。然后单击“OK”按钮，这就定义了“Combin14”单元，最后单击图3-5单元类型对话框中的“Close”按钮。
图3-5 单元类型对话框 3-6 定义Beam3单元对话框 3-7 定义Combin14单元对话框 7）定义材料属性：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图3-8所示。在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出如图3-9所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY” 后面的输入栏输入“”，单击“OK”。再在定义材料本构模型对话框 选中“Density”并双击，弹出如图3-10所示“Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，再单击“OK”按钮。 图 3-8 定义材料本构模型对话框 图 3-9 线弹性材料模型对话框 图 3-10材料密度输入对话框 最后单击“Material> Exit”结束，得到结果如图3-11所示。 ` 图3-11 材料属性定义结果 8）定义实常数：Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants” 实常数对话框，如图3-12所示。单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-14所示“Real Constant for BEAM3”对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“”、惯性矩IZZ“”、高度HEIGHT“”。
图3-12 实常数对话框 图3-13 选择单元类型对话框 图3-14 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框 图3-15 定义隧道仰拱BEAM3实常数2对话框 然后单击“OK”按钮，然后在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-15所示的对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“”、惯性矩IZZ“”、高度HEIGHT“”。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部及顶部的厚度不同，所以要建立2个BEAM2实常数。
然后单击“OK”按钮，在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 2 Combin14”，单击“OK”按钮，弹出如图3-16所示“Real Constant Set Number 3 for COMBIN14”对话框，在“SPRING CONSTANT ”栏后面输入“”，单击“OK”按钮，弹出如图3-17对话框，最后单击“Close”按钮
图3-16 COMBIN14实常数后对话框 图3-17 定义完实常数后对话框 建立模型和划分网格 1）创建隧道衬砌支护关键点：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，弹出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”对话框，如图3-18所示。在“NPT keypoint number”栏后面输入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。再依次重复在“NPT keypoint number”栏后面输入“2、3、4、5、6、7”，在对应“X，Y，Z Location in active CS”栏后面输入“（0，，0）、（，，0）、（，，0）、（，，0）、（，，0）、（，0，0），最后单击“OK”按钮，生成7个关键点，如图3-19所示。
图3-18 在当前坐标系创建关键点对话框 图3-19 隧道支护关键点 2）创建隧道衬砌支护线模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad，弹出如图3-20所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“1，2”，单击“Apply”，弹出如图3-21所示对话框。在对话框栏中输入关键点“6”，弹出“Arc By End KPs & Rad ”对话框，如图3-22所示。在“RAD Radius of the arc”栏后面输入弧线半径“”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。
图3-20 定义弧线两端点对话框 图3-21 定义弧线曲率关键点对话框 图3-22 画弧线对话框 重复以上操作步骤，分别把图3-22对话框栏中空栏依次输入“，2，3，6”、“，3，4，6”、“，4，5，2”、“，5，6，2”、 “，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，如图3-23所示。
图3-23 隧道衬砌支护线模型 3）保存几何模型文件；Utility Menu> File> Save as，弹出一个“Save Database”对话框，在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“”，单击“OK”。
4）给线赋予特性：Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool，弹出“MeshTool”对话框，如图3-24所示。在“Element Attributes”后面的下拉式选择栏中选择“Lines”，按“Set”按钮，弹出一个“Lines Attributes”线拾取框，在图形界面上拾取编号为“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线，单击拾取框上的“OK”按钮，又弹出一个如图3-25所示的“Lines Attributes”对话框，在“Material number”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Element type number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1 BEAM3”。单击“Apply”再次弹出线拾取框。
用相同方法给线L7赋予特性，其他选项与“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线一样，只是在“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“2”，单击“OK”按钮退出。
图3-24 网格划分工具栏 图3-25 赋予线特性对话框 5）控制线尺寸：在“MeshTool”对话框中的“Size controls”下面的选择栏中的“Lines”右边单击“Set”，在弹出对话框中拾取线L1和L6，单击拾取框上的“OK”按钮，弹出“Element Sizes on All Selected Lines”对话框，如图3-26所示。在“No of element divisions ”栏后面输入“4”。再单击“Apply”按钮。
用相同方法控制线L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是线L2、L3、L4、L5在“No of element divisions ”栏后面输入“2”，线L7在“No of element divisions ”栏后面输入“8”。