第4章教案-ANSYS隧道工程应用实例分析.doc

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析
本章重点
隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现
ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析
本章典型效果图
隧道工程相关概念
隧道工程设计模型　　
国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种：
以工程类比为主的经验设计方法。
以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。
作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、弹性地基圆环等。
连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。
隧道结构的数值计算方法
通常，隧道支护结构计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维或三维问题，并且计算还与开挖方法、支护过程有关。对于这类复杂问题，必须采用数值方法。目前用于隧道开挖、支护过程的数值方法有：有限元法、边界元法、有限元—边界元耦合法。
其中有限元法是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧道及地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性以及几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。但该法需要将整个结构系统离散化，进行相应的插值计算，导致数据量大，精度相对底。大型通用有限元软件ANSYS就可用于隧道结构的数值计算，还可以实现隧道开挖与支护以及连续开挖的模拟。
边界元法在一定程度上改进了有限元法精度，它的基本未知量只在所关心问题的边界上，如在隧道计算时，只要对分析对象的边界作离散处理，而外围的无限域则视为无边界。但该法要求分析区域的几何、物理必须是连续的。
有限元—边界元耦合法则使采用两种方法的长处，从而可取得良好的效果。如计算隧道结构，对主要区域（隧道周围区域）采用 有限元法，对于隧道外部区域可按均质、线弹性模拟，这样计算出来的结果精度一般较高。
隧道荷载
参照相关隧道设计规范，隧道设计主要考虑荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详见表3-2。其中最重要的是围岩的松动压力，支护结构的自重可按预先拟定的结构尺寸和材料重度计算确定。在含水地层中，静水压力可按最底水位考虑。在没有仰拱结构中，车辆荷载直接传给地层。
表4-2 隧道荷载
荷载分类
荷载名称　　
说明
永久荷载
结构自重
恒载　　
主　
要
载　
荷　
结构附加恒载　
围岩压力　
土压力　
混凝土收缩和徐变的影响
可变荷载
车辆荷载
活载
车辆荷载引起的土压力　
冲击力
公路活载
附加荷载
冻胀力　　
灌浆力
温差应力
施工荷载
偶然荷载
落石冲击力
附加荷载
地震力　
特殊荷载


单元生死的定义
如果模型中加入或删除材料，对应模型中的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失的情形定义为单元生死。单元的生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活所选择单元。单元生死功能主要用于开挖分析（如煤矿开挖和隧道开挖等）、建筑物施工过程（如近海架桥过程）、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面应用（如用户可以根据已知单元位置来方便地激活或杀死它们）。　　
需要注意的是，ANSYS单元的生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure产品。此外，并非所有ANSYS单元具有生死功能，具有此生死功能的单元见表3-1。
表3-1 ANSYS中具有生死功能的单元　　
LINK1
BEAM24
SHELL57
PLANE83
SURF152
SOLID185
PLANE2
PLANE25
PIPE59
SOLID87
SURF153
SOLID186
BEAM3
MATRIX27
PIPE60
SOLID90
SURF154
SOLID187
BEAM4
LINK31
SOLID62
SOLID92
SHELL157
BEAM188
SOLID5
LINK32
SHELL63
SHELL93
TARGE169
BEAM189
LINK8
LINK33
SOLID64
SOLID95
TARGE170
SOLSH190
LINK10
LINK34
SOLID65
SOLID96
CONTA171
FOLLW2