ansys课程设计地铁车站主体结构设计.docx

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ansys课程设计地铁车站主体结构设计

课程设计任务书

专业铁道工程（隧道组）姓名彭向民学号20087023

开题日期：

2011年9月20日完成日期：

2011年9月27日

题目明挖地铁车站内力结构分析

一、设计的目的

熟悉ANSYS软件，练习课堂所学知识，为今后的毕业设计打下良好的电算基础。

练习使用梁单元和弹簧单元建模进行结构内力分析

二、设计的内容及要求

某地铁岛式车站采用明挖法施工，车站埋深为4.113m，地下水位距地面为8.023m,站厅、站台层柱子为d=0.8m的圆形柱，纵向柱间距为8m，纵向共16跨，长160m，中间岛式站台长110m。

衬砌材料采用C30钢筋混凝土（E=30Gpa，μ=0.2，γ=25kN/m³），地面荷载取20kPa的均布荷载，站厅层人群荷载取4kPa的均布荷载，是被荷载取8kPa的均布荷载。

地基弹性范例系数取77.4Mpa/m。

车站的横断面如下图：

（单位：

m）

各层土的物理参数见下表：

地层名称

重度γ（kN/m³）

内摩擦角φ（°）

1素填土

18.0

8.0

2粉质粘土

19.2

16.3

3粉质粘土

19.6

20.8

4中粗砂

18.8

26.0

试分析：

纵向单位跨度地铁车站的内力。

（采用基本荷载组合计算）

成绩

指导教师（签章）

年月日

GUI方式：

一、打开ANSYS

打开ANSYS软件。

GUI方式：

执行“UtilityMenu→Title”菜单命令。

在弹出窗口中输入“Mechanicalanslysisonthesubwaystation”作为ANSYS图形显示时的标题。

二、建立模型

1、定义单元类型

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete”菜单命令。

在弹出对话框中添加单元类型Beam3和combination14。

2、定义单元实常数

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete”菜单命令。

分别对Beam3和combination14添加实常数，数据如下表：

No.

AREA

IZZ

HEIGHT

1

0.8

0.8**3/12

0.8

2

0.6

0.6**3/12

0.6

3

1

1/12

1

4

0.9

0.9**3/12

0.9

5

0.4**2*ACOS（-1）

0.8**4*ACOS（-1）/64

0.8

6

77.4E6

3、定义材料特性

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MatarialModels”菜单命令。

输入材料特性：

EX=3E10，PRXY=0.2，DENS=2500。

4、定义截面

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Sections→Beam→CommonSections”菜单命令。

新建5个截面，数据如下表所示：

ID

Sub-Type

B

H

1

矩形

1

0.8

2

矩形

1

0.6

3

矩形

1

1

4

矩形

1

0.9

5

圆形

R=0.4

5、建立几何模型

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS”菜单命令。

键入点坐标如下表所示：

点号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

X

0

0

0

0

9.05

9.05

9.05

18.1

18.1

18.1

18.1

Y

-4.513

-8.023

-9.413

-15.763

-4.513

-9.413

-15.763

-4.513

-8.023

-9.413

-15.763

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→StraightLine”菜单命令。

连接两关键点生成线:

线编号

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

L9

L10

L11

L12

L13

L14

点号1

8

9

10

点号2

5

8

6

10

7

1

6、划分网格

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool”菜单命令。

在ElementAttributes的下拉菜单里面选中Lines，单击【Set】,分别对各条线编辑属性，如下表：

选择的线

L1，L2

L3，L4

L5，L6

L7，L8，L9，L12，L13，L14

L10，L11

MAT

1

REAL

1

2

3

4

5

TYPE

1Beam3

SECT

1

2

3

4

5

单击MeshTool对话框Size下面Line后面的【Set】,设计每条线划分的单元数，如下表所示：

选择的线

L1，L2，L3，L4，L5，L6

L7，L11，L14

L8，L13

L9，L12

L10

NDIV

18

13

3

7

10

单击MeshTool对话框中的【Mesh】按钮，选择全部线，单击【OK】，完成网格划分。

7、建立弹簧单元

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Modeling→Copy→Nodes→Copy”菜单命令。

选中L5、L6上的所以Nodes，在“CopyNodes”对话框中，ITIME后输入2，DY后输入-1，如下图所示。

GUI方式：

执行“UtilityMenu→Select→Entities…”菜单命令。

在弹出的“SelectEntities”对话框中选择“Nodes”，“ByLocation”，“Ycoordinates”,在Min，Max后输入“-15.763,-16.763”，点击【OK】。

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes”菜单命令。

在弹出的“ElementAttributes”对话框中,[TYPE]选“2COMBIN14”，[REAL]选“6”，[SECNUM]选“NoSection”，单击【OK】。

GUI方式：

执行“MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→OffsetNodes”菜单命令。

在弹出对话框中，DY后输入“1”，单击【OK】。

三、加载求解

1、施加位移约束

GUI方式：

执行“UtilityMenu→Select→Entities…”菜单命令。

在弹出的“SelectEntities”对话框中选择“Nodes”，“ByLocation”，“Ycoordinates”,在Min，Max后输入“-16.763”，点击【OK】。

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displcement→OnNode”菜单命令。

点击【PickAll】，选择全部节点，在弹出对话框中选择“ALLDOF”，单击【OK】。

GUI方式：

执行“UtilityMenu→Select→Entities…”菜单命令。

在弹出的“SelectEntities”对话框中选择“Nodes”，“ByLocation”，“Ycoordinates”,在Min，Max后输入“-15.763”，点击【OK】。

GUI方式：

执行“UtilityMenu→Select→Entities…”菜单命令。

在弹出的“SelectEntities”对话框中选择“Nodes”，“ByLocation”，“Xcoordinates”,在Min，Max后输入“9.05”，点击【OK】。

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displcement→OnNode”菜单命令。

点击【PickAll】，选择全部节点，在弹出对话框中选择“UX”，单击【OK】。

2、施加荷载

（1）计算结构所受荷载

按基本荷载组合，计算如下表所示：

顶板

路面荷载

20kPa

垂直土压力

1.5ⅹ18+2.8ⅹ19.2+（4.113+0.8/2-1.5-2.8）ⅹ19.6

=84.9348kPa

1.4ⅹ20+1.35ⅹ84.9348=142.66198kPa

中板

人群荷载

4kPa

设备荷载

8kPa

1.4ⅹ4+1.35ⅹ8=16.4kPa

底板

垂直水压力

（4.113+0.8/2+4.9+6.35-8.023）ⅹ10=77.4kPa

1.35ⅹ77.4=104.49kPa

边墙

土侧压力

上

φ=（8ⅹ1.5+16.3ⅹ2.8+20.8ⅹ0.213）/4.513=13.75°

1.35ⅹ84.9348ⅹtan²（45-13.75/2）=70.6kPa

下

φ=（8ⅹ1.5+16.3ⅹ2.8+20.8ⅹ2+26ⅹ9.463）/15.763

=21.9°

γ=（18ⅹ1.5+19.2ⅹ2.8+19.6ⅹ2+18.8ⅹ9.463）/15.763

=18.9kN/m³

1.35ⅹ18.9ⅹ15.763ⅹtan²（45-21.9/2）=183.67kPa

（先分别算出λ，再加权平均，算出结果为187.575kPa）

侧向水压力

下

104.49kPa

（2）施加结构所受荷载

a．水平荷载

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams”菜单命令。

选择顶板的梁单元，在弹出对话框中的VALI后输入值“142661.98”，单击【Apply】。

选择中板的梁单元，在弹出对话框中的VALI后输入值“16400”，单击【Apply】。

选择顶板的梁单元，在弹出对话框中的VALI后输入值“-104490”，单击【OK】。

b．侧向荷载

GUI方式：

执行“UtilityMenu→List→PictEntities+”菜单命令。

在弹出的“ModelQueryPicker”对话框中选择：

“Pick”，“Box”，“Length”，“Elements”，分别选择左边墙和右边墙的梁单元。

复制弹出列表中的内容到Excel，整理并计算，可得下表：

ElementNo.

（L）

ElementNo.

（R）

Length

土侧压力（上）（Pa）

水侧压力（下）（Pa）

131

155

0.501429

70600

130

156

0.501429

75639.69215

129

157

0.501429

80679.3843

128

158

0.501429

85719.07646

127

159

0.501429

90758.76861

126

160

0.501429

95798.46076

125

161

0.5

.1529

124

162

0.463333

105877.8451

6254.991459

123

163

0.463333

110534.6473

12509.98292

122

164

0.463333

115191.4495

18764.97438

121

165

0.488462

119848.2517

25359.20712

120

166

0.488462

124757.617

31953.43986

119

167

0.488462

129666.9822

38547.6726

118

168

0.488462

134576.3475

45141.90534

117

169

0.488462

139485.7127

51736.13808

116

170

0.488462

144395.078

58330.37082

115

171

0.488462

149304.4432

64924.60356

114

172

0.488462

154213.8085

71518.8363

113

173

0.488462

159123.1737

78113.06904

112

174

0.488462

164032.539

84707.30178

111

175

0.488462

168941.9042

91301.53452

110

176

0.488462

173851.2695

97895.76726

109

177

0.488462

178760.6347

104490

183670

土侧压力：

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams”菜单命令。

从上向下每间隔1个单元选择一个边墙的单元，按上表所示的值，输入边墙单元所受的一对土压力值。

水侧压力：

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Settings→ReplacevsAdd→SurfaceLoads”菜单命令。

在弹出的对话框中，（PRES）下的Oper中选择“Addtoexisting”,单击【OK】。

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams”菜单命令。

从水位线处开始，从上向下每间隔1个单元选择一个边墙的单元，按上表所示的值，输入边墙单元所受的一对水的压力值。

（3）施加重力场

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→Gravity→Global”菜单命令。

在弹出对话框中的ACELY后输入值“10”，单击【OK】。

结基本构图

3、求解

GUI方式：

执行“MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS”菜单命令。

在弹出对话框中点击【OK】，开始计算。

四、查看计算结果

1、添加单元表

GUI方式：

执行“MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable”菜单命令。

新建6个单元表，分别是：

LabItemLabItem

轴力I_NBysequencenumSMISC,1J_NBysequencenumSMISC,7

剪力I_VBysequencenumSMISC,2J_VBysequencenumSMISC,8

弯矩I_MBysequencenumSMISC,6J_MBysequencenumSMISC,12

2、查看变形图

GUI方式：

执行“MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape”菜单命令。

在弹出对话框中选择“Def+undeformd”，单击【OK】。

变形图

3、查看各内力图

GUI方式：

执行“MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElemRes”菜单命令。

在弹出对话框中分别选择不同的Lab，可以分别查看轴力图、剪力图、弯矩图。

LabILabJFact

轴力图I_NJ_N1

剪力图I_VJ_V1

弯矩图I_MJ_M-1

4、查看内力列表

GUI方式：

执行“MainMenu→GeneralPostproc→ListResults→ElemTableData”菜单命令。

在弹出对话框中选择“I_N”、“J_N”、“I_V”、“J_V”、“I_M”、“J_M”，单击【OK】。

轴力图

剪力图

弯矩图

单元内力表

PRINTELEMENTTABLEITEMSPERELEMENT

*****POST1ELEMENTTABLELISTING*****

STATCURRENTCURRENTCURRENTCURRENTCURRENTCURRENT

ELEMI_NJ_NI_VJ_VI_MJ_M

1-0.32142E+06-0.32142E+06-0.69024E+06-0.60846E+06-0.82573E+06-0.49925E+06

2-0.32142E+06-0.32142E+06-0.60846E+06-0.52667E+06-0.49925E+06-0.21389E+06

3-0.32142E+06-0.32142E+06-0.52667E+06-0.44489E+06-0.21389E+0630348.

4-0.32142E+06-0.32142E+06-0.44489E+06-0.36311E+0630348.0.23347E+06

5-0.32142E+06-0.32142E+06-0.36311E+06-0.28133E+060.23347E+060.39547E+06

6-0.32142E+06-0.32142E+06-0.28133E+06-0.19954E+060.39547E+060.51636E+06

7-0.32142E+06-0.32142E+06-0.19954E+06-0.11776E+060.51636E+060.59613E+06

8-0.32142E+06-0.32142E+06-0.11776E+06-35977.0.59613E+060.63477E+06

9-0.32142E+06-0.32142E+06-35977.45805.0.63477E+060.63230E+06

10-0.32142E+06-0.32142E+0645805.0.12759E+060.63230E+060.58871E+06

11-0.32142E+06-0.32142E+060.12759E+060.20937E+060.58871E+060.50401E+06

12-0.32142E+06-0.32142E+060.20937E+060.29115E+060.50401E+060.37818E+06

13-0.32142E+06-0.32142E+060.29115E+060.37294E+060.37818E+060.21123E+06

14-0.32142E+06-0.32142E+060.37294E+060.45472E+060.21123E+063170.7

15-0.32142E+06-0.32142E+060.45472E+060.53650E+063170.7-0.24601E+06

16-0.32142E+06-0.32142E+060.53650E+060.61829E+06-0.24601E+06-0.53631E+06

17-0.32142E+06-0.32142E+060.61829E+060.70007E+06-0.53631E+06-0.86773E+06

18-0.32142E+06-0.32142E+060.70007E+060.78185E+06-0.86773E+06-0.12403E+07

19-0.32142E+06-0.32142E+06-0.78192E+06-0.70013E+06-0.12403E+07-0.86770E+06

20-0.32142E+06-0.32142E+06-0.70013E+06-0.61835E+06-0.86770E+06-0.53625E+06

21-0.32142E+06-0.32142E+06-0.61835E+06-0.53657E+06-0.53625E+06-0.24591E+06

22-0.32142E+06-0.32142E+06-0.53657E+06-0.45478E+06-0.24591E+063300.2

23-0.32142E+06-0.32142E+06-0.45478E+06-0.37300E+063300.20.21140E+06

24-0.32142E+06-0.32142E+06-0.37300E+06-0.29122E+060.21140E+060.37837E+06

25-0.32142E+06-0.32142E+06-0.29122E+06-0.20944E+060.37837E+060.50423E+06

26-0.32142E+06-0.32142E+06-0.20944E+06-0.12765E+060.50423E+060.58897E+06

27-0.32142E+06-0.32142E+06-0.12765E+06-45870.0.58897E+060.63259E+06

28-0.32142E+06-0.32142E+06-45870.35913.0.63259E+060.63510E+06

29-0.32142E+06-0.32142E+0635913.0.11770E+060.63510E+060.59648E+06

30-0.32142E+06-0.32142E+060.11770E+060.19948E+060.59648E+060.51675E+06

31-0.32142E+06-0.32142E+060.19948E+060.28126E+060.51675E+060.39589E+06

32-0.32142E+06-0.32142E+060.28126E+060.36304E+060.39589E+060.23392E+06

33-0.32142E+06-0.32142E+060.36304E+060.44483E+060.23392E+0630833.

34-0.32142E+06-0.32142E+06