基于ANSYS的隧道二衬内力计算.pptx

基于基于ANSYS的隧道二的隧道二衬内力内力计算算2024/5/21 周二1围岩岩压力力计算算基本概念n地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。n围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。n按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。2024/5/21 周二2围岩位移曲线支护特性曲线围岩松动压力曲线松动压力支护特性曲线这里，我里，我们计算松算松动围岩岩压力来作用于二力来作用于二衬。2024/5/21 周二3深埋隧道围岩松动压力计算在隧道工程中，计算其上作用荷载的方法与其他的结构计算中采用的方法不同，通常不能通过公式准确计算得出，在很大程度上需依靠经验数据，计算方法为现象模拟方法。运用统计法计算，竖向均布作用为式中S围岩级别围岩重度宽度影响系数，其值为：=1+i（B-5）B坑道宽度i此处取i=0.1。2024/5/21 周二4注：此公式规定应用条件限制在采用在钻爆法施工的深埋隧道，且H/B1.7的范围内（H为坑道的高度，B为坑道宽度）。水平均布压力如下表：表表4-2 围岩水平均布作用岩水平均布作用压力力2024/5/21 周二5浅埋隧道浅埋隧道围岩岩压力力计算算当隧道埋深h大于等效荷载高度时，随着隧道埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。2024/5/21 周二6i)求破裂面倾角：式中顶板土体两侧摩擦角；围岩的摩擦角。ii)求侧压力系数：2024/5/21 周二7iii)求围岩垂直均布松动压力q：式中B坑道跨度；h洞顶岩体覆盖层厚度；围岩重度。iv)求围岩水平均布松动压力：水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为：式中H地面到洞底岩体高度。2024/5/21 周二8二次二次衬砌支砌支护承承载比例比例2010年，我国公路隧道设计细则规定双车道及三车道分离式公路隧道，利用荷载结构法计算时，初期支护与二次衬砌的支护承载比例可参考下表的规定。2024/5/21 周二9取级深埋围岩压力进行二衬内力计算：q=70.416（kPa）e=0.15q=10.5624（kPa）按规定这里取30%的二衬承载比例，则q=70.4160.3=21.1248（kPa）e=10.56240.3=3.1687（kPa）只考虑围岩压力及结构自重，采用全周弹簧模型。级围岩衬砌采用C25钢筋混凝土结构，厚35cm，容重23，弹性模量29.5GPa，泊松比0.2.。级围岩，取弹性抗力系数为K=800MPa/m。2024/5/21 周二10深埋荷深埋荷载分布分布图2024/5/21 周二11二二衬内力内力计算算一、一AutoCAD中中操作操作1、首先在、首先在CAD中将中将衬砌砌轮廓廓图画好画好2024/5/21 周二122、运用boundary命令，对象类型选择面域，并选择拾取点，点击区域，使它变成面域，然后回车。或直接点击绘图面域，创建面域。3、选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并进行保存。2024/5/21 周二13ANSYS中操作中操作1、打开ansys软件在ansys软件中将保存的sat文件打开，过程如图。2024/5/21 周二142、sat文件在ansys中的显示，选择frontview平面图。2024/5/21 周二153、选择重新设置4、显示面域plotareas2024/5/21 周二165、删除面域。Deleteareasonly选择pickall，点击ok。2024/5/21 周二176、然后重新显示线plotlines2024/5/21 周二18因级围岩段无仰拱，故需删除下面横线。7、Deletelinesonly选择线，点击ok。2024/5/21 周二192024/5/21 周二208、创建工作标题。执行FilechangTitle命令，输入标题。9、选择学科范围。MainMenuPreferencesStructural，点击OK。10、定义单元类型MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAdd，为拱形衬砌结构定义Beam3的梁单元类型。2024/5/21 周二21定义Beam3单元对话框单元类型对话框11、定义截面。执行MainMenuPreprocessorSectionsbeamCommonSections命令，依次输入截面号ID为1，截面形状Sub-Type为矩形，平移截面节点的位置OffsetTo到Centroid（质心），截面宽度1m，高度为0.35m，则截面1定义完成。2024/5/21 周二2212、定义实常数执行MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/DeleteAdd命令，选中Type1BEAM3，点击OK，面积AREAbh，惯性矩IZZ=bh3/12，高HEIGHT=h,点击OK；2024/5/21 周二2313、定义材料属性：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，在对话框中选择StructuralLinearElasticIsotropic，输入弹性模量EX=29.5e9，泊松比PRXY=0.2,单击OK。再选择StructuralDensity，输入密度DENS=2300。14单元网格划分：执行MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool命令，在ElementAttributes栏选择Lines，单击右边Set按钮，选中L1后单击OK，弹出为线分配单元属性对话框，为L1选取1号材料、1号实常数、1号单元和1号截面。单击OK回到MeshTool对话框。2024/5/21 周二24单击SizeControls栏下Lines右边的Set，为线的网格划分设置单元尺寸控制参数。选中L1单击OK，在NDIV栏输入40，即一条线划分为40个单元。单击OK，回到MeshTool对话框。单击Mesh，选中L1，单击OK,网格划分完毕。15、查看单元执行PlotCtrlsNumbering命令，如图2024/5/21 周二25单击ok，执行plotElements命令，得单元和各自单元号。2024/5/21 周二262024/5/21 周二2716、查看节点执行PlotCtrlsNumbering命令点击OK，得到节点编号图。2024/5/21 周二28将划分网格后文件存盘，FileSaveas命令，保存为db格式。2024/5/21 周二2917、计算主动压力产生的等效节点荷载：执行UtilityMenuListNode命令，在对话框中选择Coordinatesonly，查询节点坐标，并另存为文本。2024/5/21 周二30通过Excel工作表将各等效节点荷载整理为命令流。小技巧：把荷载命令列、节点号列、荷载属性列、荷载大小列现在Excel里编好，再另存为CSV类型，出现对话框都确定。然后用记事本打开。2024/5/21 周二3118、施加等效节点荷载将命令流粘贴到ANSYS输入窗口中，回车。单击SAVE-DB存盘。2024/5/21 周二3219、施加径向弹簧1）建立柱坐标系作为局部坐标系执行UtilityMenuWorkPlaneLocalCoordinateSystemsCreatLocalCSAtSpecifiedLoc命令，选中圆心，单击OK，在KCN栏输入编号11（大于10）；在KCS栏选择柱坐标系代码1，ok。2）激活局部坐标系UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoSpecifiedCoordSys命令，输入编号11.同理整理好弹簧命令流。2024/5/21 周二33其中，local表示定义局部坐标系命令；11为局部坐标系编号；1代表柱坐标系；1237.05和440.1表示设置柱坐标系的坐标原点；cysy，11表激活局部坐标系11；psprng表示建立弹簧命令；1表节点编号；tran表施加径向弹簧；400000000表示弹簧弹性系数；1表示弹簧在沿柱坐标系x方向有一个单位的长度。2024/5/21 周二34将弹簧命令流输入ansys中，得下图。2024/5/21 周二3520、施加约束条件MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementonNodes，弹出在节点上施加位移约束对话框，用鼠标选取节点1和2，单击“OK”按钮，弹出“ApplyU,ROTonNodes”对话框，2024/5/21 周二362024/5/21 周二3721、施加重力加速度：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravity，弹出“Apply(Gravitational)Acceleration”对话框，如图所示。只需在“GlobalCartesianY-comp”栏后面输入重力加速度值“9.8”就可以，单击“OK”按钮，就完成了重力加速度的施加2024/5/21 周二3822、求解运算：执行MainMenuSolutionAnalysisTypeNewAnakysis命令，设置Static分析类型。执行MainMenuSolutionSolveCurrentLS，弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷步对话框，检查信息无错误后，单击“OK”，开始求解运算，直到出现一个“Solutionisdone”的提示栏，表示求解结束。2024/5/21 周二39后处理执行MainMenuGeneralPostprocReadResultsLastSet命令，读取计算结果。查看隧道衬砌支护结构变形图：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsDeformedshape，弹出一个“PlotDeformedShape”的对话框，选中“Def+undeformed”并单击“OK”，出现隧道衬砌支护结构变形图。2024/5/21 周二402024/5/21 周二41执行MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTable,定义结果显示列表，再执行MainMenuGeneralPostprocElementTableListElemTable,选择NI，得各单元轴力。2024/5/21 周二42（正值受拉，负值受压）除去受拉弹簧，则得到49-72号弹簧受拉，需去除。执行MainMenuPreprocessorModelingDeleteElements，弹出一个删除单元选取对话框分批多次去除），执行MainMenuPreprocessorModelingDeleteNodes，弹出一个删除节点选取对话框，去除弹簧节点。再重新计算。按照此方法，经多次试算，保证弹簧全部处受压状态。确定抗力分布范围，最终计算模型。2024/5/21 周二43最终计算结果显示：执行UtilityMenuSelectEntities命令2024/5/21 周二44最终计算结果显示：执行UtilityMenuSelectEntities命令，选择如右图。单击ok，选择Min，Man，Inc栏，输入1，40，1，单击ok。刷新。2024/5/21 周二45执行MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTableAdd，定义结果显示.输入参数时，轴力两端为1和7，剪力为2和8，弯矩为6和12。2024/5/21 周二462024/5/21 周二47执行MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourPlotLineElementRes命令，显示图形。2024/5/21 周二482024/5/21 周二492024/5/21 周二502024/5/21 周二51完完2024/5/21 周二52