隧道结构受力分析

实例1 隧道结构受力分析

1．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3-4。

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3-5。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。

2. 求解步骤

第一步：定义工作文件名和工作标题

⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu：File→Change Jobname，出现Change Jobname对话框。在【/FILNAM】Enter new Jobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。

⑵选择菜单Utility Menu：File→Change Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK按钮关闭该对话框。

第二步：定义单元类型

选择菜单Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。在左侧滚动栏中选择Structural Beam，在右侧滚动栏中选择2D elestic 3，单击Apply按钮，定义Beam3单元，如图2所示。再在左侧滚动栏中选取Combination选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper 14，单击OK按钮，定义Combin14单元，最后单击Close按钮关闭对话框。

图2 单元类型库对话框

第三步：定义单元实常数

⑴选择菜单Main Menu：Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，出现Real Contants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Contants对话框，单击OK按钮，选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，最后在弹出的Real Constant for BEAM3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：0.65、惯性矩IZZ：0.022885417、高度HEIGHT：0.65，如图3所示。

图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框

⑵单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，在打开的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：0.85、惯性矩IZZ：0.05117833、高度HEIGHT：0.85，如图4所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同，所以要建立两个BEAM3实常数。

图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框

⑶单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE 2 Combin14，单击OK按钮，打开如图5所示的Real Constants Set Numbere 3 for COMBIN14对话框，然后在Spring constant栏后输入30000000，单击OK按钮，单击Close按钮关闭对话框。

图5 COMBIN14实常数对话框

第四步：定义材料属性

⑴选择菜单Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models命令，出现Define Material Behavior对话框。

⑵在Material Models Available一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，在EX对话框中输入3e10，在PRXY输入栏中输入0.2，如图6所示，单击OK按钮关闭该对话框。

⑶单击Structural、Density选项，在弹出的Density for Material Numbere 1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500，如图7所示。单击OK按钮，选择Material→Exit，退出材料定义对话框。

图6 线弹性材料模型对话框

图7 材料密度输入对话框

第五步：建立模型和划分网格

⑴创建隧道衬砌支护关键点

选择菜单Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS 命令，出现Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，输入表1中的关键

点坐标。最后单击OK按钮，生成7个关键点。

表1 关键点坐标

⑵创建隧道衬砌支护线模型

选择菜单Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Arcs→By End KPs & Rad命令，在打开的对话框中输入1，2，单击Apply按钮，继续输入6，单击OK按钮，弹出Arc By End KPs & Radius对话框，如图9所示。在RAD Radius of the arc栏后面输入弧线半径8.13，单击Apply按钮，创建弧线1。

图9 画弧线对话框

重复以上步骤，分别在图9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