第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 4.4.1.1 荷载—结构模型的建立

本步骤不在ANSYS中进行，但该步骤是进行ANSYS隧道结构受力分析前提。只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地阻止周围岩体变形而产生松动压力，隧道的支护结构就应该按荷载—结构模型进行验算。隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现的。 本步骤主要包含2项内容：

? 选择荷载—结构模型 ? 计算荷载

1．选择荷载—结构模型

荷载—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，但对围岩与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

此模型不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。此模型主要适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌变形情况，如采用明挖法施工的城市地铁工程及明洞工程。 （2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）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。因为在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就会对支护结构产生反作用力来约束它的变形，这种反作用力称为弹性抗力。而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓“脱离区”。这种模型适用于各种类型的围岩，只是所产生的弹性抗力不同而已。该模式广泛地应用于我国铁路隧道，基于这种模式修建了好几千公里的铁路隧道，并且在实际使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力状况。 （3）实际荷载模型

这种模型采用量测仪器实地量测到的作用在衬砌上的荷载值代替主动荷载模型中的主动荷载。实地量测的荷载值包含围岩的主动压力和弹性抗力，是围岩与支护结构相互作用的综合反映。切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而改善结构的受力情况。但要注意的是，实际量测的荷载值，除与围岩特性有关外，还取决与支护结构刚度及支护结构背后回填的质量。

2．计算荷载

目前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，可见表2-2。进行ANSYS隧道结构受力分析时，一般要进行计算以下几种隧道荷载：

（1）围岩压力

围岩压力是隧道最主要的荷载，主要根据相关隧道设计规范进行计算。对于铁路隧道，可以根据〈〈铁路隧道设计规范〉〉进行计算。

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 （2）支护结构自重

支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。 （3）地下水压力

在含水地层中，静水压力可按照最低水位考虑。 （4）被动荷载

被动荷载即围岩的弹性抗力，其大小常用以温克列尔假定为基础的局部变形理论来确定。该理论认为围岩弹性抗力与围岩在该点的变形成正比，用公式表示为：

?i?K?i (3-14)

式中：

?i——围岩表面上任意一点的压缩变形，单位——m；

? ?i——围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位——Mpa；

? K——围岩弹性抗力系数，单位——Mpa/m。

? 对于列车荷载、地震力等其它荷载，一般情况可以忽略不计算。 3.3.1.2 创建物理环境

在定义隧道结构受力分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个隧道结构体的数学仿真模型。按照以下几个步骤来建立物理环境：

1、 设置GUT菜单过滤

如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：Main Menu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图3-2所示的对话框出现后，选择Structural。这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行隧道结构受力分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。

2、 定义分析标题（／TITLE） 在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“Tunnel Support Structural Analysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。用下列方法定义分析标题。

命令：／TITLE

GUI：Utility Menu>File>Change Title

3、 说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）

与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。例如，隧道衬砌用beam3梁单元来模拟，用COMBIN14弹簧单元模拟围岩与结构的相互作用性，这两个单元组合起来就可以模拟隧道结构。

大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。例如，梁单元

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 beam3有如下KEYOPTS：

KEYOPT(6) 力和力矩输出设置

KEYOPT(9) 设置输出节点I与J之间点结果

KEYOPT(10) 设置SFNEAM命令施加线性变化的表面载荷 COMBIN14弹簧单元有如下KEYOPTS：

KEYOPT(1) 设置解类型

KEYOPT(2) 设置1-D自由度

KEYOPT(3) 设置2-D或3-D自由度 设置单元以及其关键选项的方式如下： 命令：ET

KEYOPT

GUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete

图 3-2 GUI图形界面过滤

4、设置实常数和定义单位

单元实常数和单元类型密切相关，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相应GUI菜单路径来说明。在隧道结构受力分析中，你可用实常数来定义衬砌梁单元的横截面积、惯性矩和高度以及围岩弹性抗力系数等。当定义实常数时，要遵守如下二个规则：

? 必须按次序输入实常数。

? 对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的REAL参考号）。但

是，一个单元类型也可注明几个实常数组。

命令：R

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 GUI：Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete

ANSYS软件没有为系统指定单位，分析时只需按照统一的单位制进行定义材料属性、几何尺寸、载荷大小等输入数据即可。

结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式。如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kg?m/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/m?s2（相当于帕Pa）。

命令：/UNITS 5、定义材料属性

大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定义各种材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。

ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种： （1）线性或非线性。

（2）各向同性、正交异性或非弹性。 （3）随温度变化或不随温度变化。

隧道结构受力分析中需要定义隧道混凝土衬砌支护的材料属性：容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。

命令：MP

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models

或 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Change Mat Props>Material Models 4.4.1.3 建立模型和划分网格

创建好物理环境，就可以建立模型。在进行隧道结构受力分析时，需要建立模拟隧道衬砌结构的梁单元和模拟隧道结构与围岩间相互作用的弹簧单元。在建立好的模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。

通过GUI为模型中的各区赋予特性：

1、选择Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked Areas 2、点击模型中要选定的区域。

3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。 4、重复以上三个步骤，直至处理完所有区域。 通过命令为模型中的各区赋予特性： ASEL（选择模型区域） MAT （说明材料号） REAL（说明实常数组号） TYPE（指定单元类型号） ESYS（说明单元坐标系号）

在进行隧道结构分析中，只需要给隧道衬砌结构指定材料号、实常数号、单元类型号和单