隧道结构受力分析提交文档格式.docx

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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1C30钢筋混凝土的物理力学指标

名称

容重（KN/m3）

弹性抗力系数K（MPa/m）

弹性模量E（GPa）

泊松比

内摩擦角（。

）

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

表2载荷计算表

载荷种类

围岩压力

结构自重

水压（N/m3）

垂直均布力（N/m3）

水平均布力（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。

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5COMBIN14实常数对话框

（1）创建隧道衬砌支护关键点：

表3关键点坐标

关键点号

X

Y

Z

1

0

5

4.02

5.5

2

3.85

6

4.9

3

0.88

7

4

2.45

6.15

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。

图7隧道衬砌支护线模型

图8隧道支护单元图

图9定义弹簧单元对话框

图10添加弹簧单元后的单元网格图

6.模拟荷载及荷载的动态变化

⑴给弹簧单元施加约束

图11为节点施加位移约束对话框

⑵施加重力加速度

图12施加重力加速度对话框

⑶对隧道衬砌支护施加围岩压力

图13施加节点力对话框

⑷对隧道仰拱施加水压

节点18：

FX=-161803，FY=70381，节点19：

FX=-182309，FY=50101；

节点20：

FX=-198904，FY=13093；

节点21：

FX=0；

FY=125960；

节点22：

FX=13093，FY=182309；

节点23：

FX=182309，FY=50101；

节点24：

FX=161803，FY=70381。

最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护结构模型图：

图14施加约束和载荷后隧道结构模型

7.确定计算的收敛评判依据

（1）模型——主要是结构刚度的大小；

（2）线性算法（求解器）；

（3）非线性逼近技术；

（4）加快计算速度；

（5）荷载步的设置直接影响到收敛。

8.考察各环节简化的合理性

将隧道结构简化为载荷—结构模型中的主动荷载和被动荷载模型，此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还会对支护结构施加约束反力。

该模型广泛应用于我国铁路隧道，并且在实使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力情况。

计算荷载阶段只考虑围岩压力、支护结构自重、地下水压力、围岩的弹性抗力，其他荷载不予考虑。

9.模型中与水的相互作用

隧道模型与水环境之间的作用链，包括水环境对于隧道工程作用以及隧道工程对于水环境作用两方面。

其中水环境对其作用主要是隧洞涌，漏水与承受水压力。

在含水层开挖隧道，因其洞顶有着一定程度的地下水，导致隧道洞中产生突水以及涌水现象，而后进行的隧道衬砌承受水的静水压力。

而隧道工程对于水环境的反作用则导致隧道洞顶环境灾害。

隧道的涌排水则使得地下水逐步排干，水文地质条件不断恶化，地下水位持续下降，地下漏斗不断扩展，导致洞顶的地表水资源枯竭，水环境平衡被破坏，最终引发生态环境恶化甚至地面塌陷等自然灾害。

10.求解运算

图15求解选项信息

图16当前求解载荷步对话框

11.确定后处理方法或反分析

后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果，对于隧道结构的受力分析，很重要的一点就是进入处理器后，观察结构受力变形图，根据弹簧单元只能受压的性质，去掉受拉弹簧，在进行求解，随后再观察结构受力变形图，看有没有受拉弹簧；

如此反复，知道受力图形中再无受拉弹簧为止。

这时，就得到隧道结构受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护结构的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出结构的变形图和内力图。

图17没有受拉弹簧时的隧道结构模型图

图18初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图

图19第二次分析计算隧道衬砌支护结构变形图

图20最后隧道衬砌支护结构变形图

图21结构弯矩图（单位：

N.m）

图22结构剪力图（单位：

N）

图23结构轴力图（单位：

12.数值分析结果

（1）列表显示各节点的位移

图24节点位移列表

图25节点数据文件

（2）列表显示单元的弯矩，剪力和轴力

图26单元表数据