隧道結(jié)構(gòu)受力分析(提交)

1、工程結(jié)構(gòu)破壞過程數(shù)值試驗(yàn)題目名稱：隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析 姓 名：XXX 班 級(jí)：XXX 學(xué) 號(hào)： XXX 指導(dǎo)教師：XXX 日 期：XXX 工程結(jié)構(gòu)破壞過程數(shù)值試驗(yàn)課程編號(hào)：課程名稱：工程結(jié)構(gòu)破壞過程數(shù)值試驗(yàn) 學(xué)生班級(jí)：學(xué) 號(hào)：目錄：1.題目12.問題描述13.數(shù)值分析對(duì)象，計(jì)算目的和擬解決的關(guān)鍵問題24.軟件扼要介紹；確定運(yùn)用的模型及其參數(shù)。25.計(jì)算模型邊界條件與初始條件36.模擬荷載及荷載的動(dòng)態(tài)變化67.確定計(jì)算的收斂評(píng)判依據(jù)88. 考察各環(huán)節(jié)簡化的合理性89.模型中與水的相互作用810. 求解運(yùn)算811.確定后處理方法或反分析912.數(shù)值分析結(jié)果121.題目隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

2、2.問題描述選取某新建鐵路線上的隧道斷面，該斷面采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，采用了載荷-結(jié)構(gòu)模型。主要參數(shù)如下： 隧道腰部和頂部襯砌厚度是65mm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm； 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料； 隧道圍巖是IV級(jí)，洞跨是5.36m，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水壓，水壓0.2MPa。圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖隧道圍巖級(jí)別是IV級(jí)，其物理力學(xué)指標(biāo)及襯砌材料C30鋼筋混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。表1 C30鋼筋混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)名稱容重（KN/m3）彈性抗力系數(shù)K（MPa/m）彈性模量E（GPa）泊松比內(nèi)摩擦角（。）凝聚力C（MPa）IV級(jí)圍巖223001.50.3

3、2 290.35C30鋼筋混凝土25 -30 0.2 542.42表2 載荷計(jì)算表載荷種類圍 巖 壓 力結(jié) 構(gòu) 自 重水 壓（N/m3）垂直均布力（N/m3）水平均布力（N/m3）值8022516045通過ANSYS添加根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，可計(jì)算出深埋隧道圍巖的垂直均布力和水平均布力，見表2。對(duì)于豎向和水平的分布載荷，其等效節(jié)點(diǎn)力分別近似取節(jié)點(diǎn)兩相鄰單元水平或垂直投影長度的一般襯砌計(jì)算寬度這一面積范圍內(nèi)的分布載荷的總和。自重載荷通過ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水壓0.2MPa按照徑向方向再置換為等效節(jié)點(diǎn)力，分解為水平豎直方向加載。3.數(shù)值分析對(duì)象，計(jì)算目的和擬解決的關(guān)鍵問

4、題為了保證隧道施工和運(yùn)行時(shí)間的安全性，必須對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于隧道結(jié)構(gòu)是在地層中修建的，其工程特性、設(shè)計(jì)原則及方法與地面結(jié)構(gòu)是不同的，隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的載荷，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)本身的一部分。因此，不能完全采用地面結(jié)構(gòu)受力分析方法來對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。當(dāng)前，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系一般按照載荷結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行演算，按照此模型設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。再借助于有限元軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力分析。4.軟件扼要介紹；確定運(yùn)用的模型及其參數(shù)。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空

5、航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評(píng)比中都名列第一。本次模擬運(yùn)用模型為載荷結(jié)構(gòu)模型。載荷結(jié)構(gòu)模型雖然都是以承受巖體松動(dòng)、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動(dòng)壓力為主要特征，但在對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理上，大致有三種做法：（1）主動(dòng)荷載模型（2）主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載（彈性抗力）模型（3）實(shí)際荷載模型。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載。主要參數(shù)如下： 隧道腰部和頂部襯砌厚度是6

6、5mm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm； 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料； 隧道圍巖是IV級(jí)，洞跨是5.36m，深埋隧道； 隧道仰拱下承受水壓，水壓0.2MPa。5.計(jì)算模型邊界條件與初始條件圖2 單元類型庫對(duì)話框定義單元類型為“beam3單元”。圖3 定義隧道腰部和頂部BEAM3實(shí)常數(shù)1對(duì)話框隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁單元的橫截面積AREA：0.65、慣性矩IZZ：0.、高度HEIGHT：0.65；圖4 定義隧道腰部和頂部BEAM3實(shí)常數(shù)2對(duì)話框 隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁單元的橫截面積AREA：0.85、慣性矩IZZ：0.、高度HEIGHT：0.85圖5 COMBIN1

7、4實(shí)常數(shù)對(duì)話框（1）創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)：表3 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)XYZ關(guān)鍵點(diǎn)號(hào)XYZ1 0 0054.025.502 03.85064.93.85030.885.5074.90042.456.150 創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)線模型圖6 畫弧線對(duì)話框分別在圖6欄中依次輸入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。最后單擊OK按鈕生成隧道襯砌支護(hù)線模型。圖7 隧道襯砌支護(hù)線模型圖8 隧道支護(hù)單元圖圖9 定義彈簧單元對(duì)話框圖10 添加彈簧單元后的單元網(wǎng)格圖6.模擬荷載及荷載的動(dòng)態(tài)變化 給彈簧單元施加約束圖11 為節(jié)點(diǎn)施加

8、位移約束對(duì)話框 施加重力加速度圖12 施加重力加速度對(duì)話框 對(duì)隧道襯砌支護(hù)施加圍巖壓力圖13 施加節(jié)點(diǎn)力對(duì)話框 對(duì)隧道仰拱施加水壓節(jié)點(diǎn)18：FX=-，F(xiàn)Y=70381，節(jié)點(diǎn)19：FX=-，F(xiàn)Y=50101；節(jié)點(diǎn)20：FX=-，F(xiàn)Y=13093；節(jié)點(diǎn)21：FX=0；FY=；節(jié)點(diǎn)22：FX=13093，F(xiàn)Y=；節(jié)點(diǎn)23：FX=，F(xiàn)Y=50101；節(jié)點(diǎn)24：FX=，F(xiàn)Y=70381。最后得到施加約束和載荷后隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖：圖14 施加約束和載荷后隧道結(jié)構(gòu)模型7.確定計(jì)算的收斂評(píng)判依據(jù)（1） 模型主要是結(jié)構(gòu)剛度的大小；（2） 線性算法（求解器）；（3） 非線性逼近技術(shù)；（4） 加快計(jì)算速度；（

9、5） 荷載步的設(shè)置直接影響到收斂。8. 考察各環(huán)節(jié)簡化的合理性將隧道結(jié)構(gòu)簡化為載荷結(jié)構(gòu)模型中的主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載模型，此模型認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，還會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束反力。該模型廣泛應(yīng)用于我國鐵路隧道，并且在實(shí)使用中，它基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。計(jì)算荷載階段只考慮圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)自重、地下水壓力、圍巖的彈性抗力，其他荷載不予考慮。9.模型中與水的相互作用隧道模型與水環(huán)境之間的作用鏈，包括水環(huán)境對(duì)于隧道工程作用以及隧道工程對(duì)于水環(huán)境作用兩方面。其中水環(huán)境對(duì)其作用主要是隧洞涌，漏水與承受水壓力。在含水層開挖隧道，因其洞頂有著一定程度的地

10、下水，導(dǎo)致隧道洞中產(chǎn)生突水以及涌水現(xiàn)象，而后進(jìn)行的隧道襯砌承受水的靜水壓力。而隧道工程對(duì)于水環(huán)境的反作用則導(dǎo)致隧道洞頂環(huán)境災(zāi)害。隧道的涌排水則使得地下水逐步排干，水文地質(zhì)條件不斷惡化，地下水位持續(xù)下降，地下漏斗不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致洞頂?shù)牡乇硭Y源枯竭，水環(huán)境平衡被破壞，最終引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化甚至地面塌陷等自然災(zāi)害。10. 求解運(yùn)算圖15 求解選項(xiàng)信息圖16 當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框11.確定后處理方法或反分析后處理的目的是以圖和表的形式描述計(jì)算結(jié)果，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)的受力分析，很重要的一點(diǎn)就是進(jìn)入處理器后，觀察結(jié)構(gòu)受力變形圖，根據(jù)彈簧單元只能受壓的性質(zhì)，去掉受拉彈簧，在進(jìn)行求解，隨后再觀察結(jié)構(gòu)受力變形圖，看有沒有受拉彈簧；如此反復(fù)，知道受力圖形中再無受拉彈簧為止。這時(shí)，就得到隧道結(jié)構(gòu)受力分析的正確結(jié)果，進(jìn)去后處理器，繪出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形圖、彎矩圖、軸力圖和剪力圖，列出各單元的內(nèi)力和位移值，以及輸出結(jié)構(gòu)的變形圖和內(nèi)力圖。 圖17 沒有受拉彈簧時(shí)的隧道結(jié)構(gòu)模型圖圖18 初次分析計(jì)算隧道襯