ansys在隧道襯砌結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 2

1、水工與施工西北水電2004年第1期文章編號(hào):1006—2610(2004)01—0015—0315ANSYS在隧道襯砌結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用石廣斌(國(guó)家電力公司西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院西安710065)關(guān)鍵詞:局部變形理論隧道襯砌ANSYS穩(wěn)定分析邊值法摘要:根據(jù)局部變形理論把隧道襯砌簡(jiǎn)化成合理的計(jì)算力學(xué)模型在ANSYS數(shù)值模擬環(huán)境中按邊值法的分析思路對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該數(shù)值分析結(jié)果已得到了邊值法驗(yàn)證是可行的。中圖分類號(hào):TV672.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:

2、BApplicationofANSYSinstructuralanalysisoftunnelliningSHIGuangbin(ChinaHydroNorthwestInvestigationDesigntunnelliningANSYSstabilityanalysismethodofboundAbstract:Followingthelocaldeformationtheytunnelliningissimplifiedtoare

3、asonablecomputationalmechanicsmodel.IntheenvironmentofANASYSdigitalmodellingitsstructuralanalysisiscarriedoutinlinewiththeconceptofmethodofbound.Theresultsofdigitalanalysishavebeenverifiedbythemethodofboundarepractical.目

4、前用于水工、鐵路、公路、礦山隧洞以及城市地下空間結(jié)構(gòu)等襯砌的內(nèi)力計(jì)算方法大致可以分為3大類:第一類是基于地層壓力理論的荷載結(jié)構(gòu)法第二類是基于地層應(yīng)力理論的地層結(jié)構(gòu)法第三類是基于洞周位移量測(cè)值反饋設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)的收斂限制法。2類方法由于存在較多的隨機(jī)因素后和對(duì)操作人員要求較高等原因一般很少被工程設(shè)計(jì)人員所采用而第一類方法計(jì)算參數(shù)內(nèi)涵簡(jiǎn)單而明了所涉及的不確定因素相對(duì)較少常常易被設(shè)計(jì)人員所接受事實(shí)上在工程中應(yīng)用最多最普遍的方法也是第一類荷載結(jié)構(gòu)

5、法。過(guò)去分析襯砌的結(jié)構(gòu)常用規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)力學(xué)法其實(shí)隨著有限元計(jì)算方法和技術(shù)的提高某些方法的分析思路可以在數(shù)值模擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)如規(guī)范中的邊值法就可行。下面就闡述該過(guò)程及其在某穿山隧道襯砌結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[1][2][3]。[3]1數(shù)值模擬方案根據(jù)局部變形理論隧道的襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可以簡(jiǎn)化為圖1所示的內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型。該力學(xué)模型可以在西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院引進(jìn)的大型有限元程序ANSYS上實(shí)現(xiàn)平面和三維內(nèi)力或應(yīng)力計(jì)算。若用平面有限元計(jì)算可以用ANS

6、YS單元庫(kù)里的梁?jiǎn)卧狟EAM3或平面實(shí)體單元PLAN2和PLAN42來(lái)模擬襯砌若用三維有限元計(jì)算可以用ANSYS單元庫(kù)里的殼單元SHELL63或SHELL93來(lái)模擬襯砌也可用三維實(shí)體單元SOLID45等來(lái)模擬襯砌。如果用實(shí)體單元PLAN2或SOLID45等來(lái)模擬襯砌配筋時(shí)可按應(yīng)力法配筋也可把應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力再用內(nèi)力配筋。文章只介紹用梁?jiǎn)卧?jì)算襯砌內(nèi)力結(jié)果。圖1力學(xué)模型中的彈性支座施加的位置是依據(jù)隧洞輪廓變形趨勢(shì)。通常方法是在拱座附近和直墻

7、段加若干個(gè)彈性支座并且設(shè)法保證所施加的彈性支座始終處于受壓收稿日期:20030629作者簡(jiǎn)介:石廣斌(1968—)男安徽省和縣人工程碩士工程師現(xiàn)主要從事水工結(jié)構(gòu)和巖土工程設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究.狀態(tài)(即不考慮襯砌與圍巖壁的粘結(jié)力)而不能處于受拉狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)圍巖只貢獻(xiàn)彈性抗力的功能。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)一般情況下也即無(wú)內(nèi)水壓力的情況西北水電2004年第1期ANSYS計(jì)算出隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期和運(yùn)行期等各工況下的內(nèi)力還必須把計(jì)算出的內(nèi)力代入專用配筋計(jì)算

8、后處理程序根據(jù)內(nèi)力的表現(xiàn)形態(tài)依據(jù)文獻(xiàn)[4]選擇適合的配筋計(jì)算公式即可計(jì)算出結(jié)構(gòu)配筋面積。本工程襯砌內(nèi)力及配筋結(jié)果如表2。表2內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果表部位拱頂拱腰直墻計(jì)算工況施工期運(yùn)行期施工期運(yùn)行期施工期運(yùn)行期配筋內(nèi)力彎矩kN.m169.5160.9215.0200.2184.7196.9軸力kN3014.41200.43326.51480.02770.31311.6配筋面積cm2139847021457481340143217元、平面實(shí)體單

9、元、三維實(shí)體單元數(shù)值模擬技術(shù)按邊值法的分析思路實(shí)現(xiàn)隧道襯砌內(nèi)力或應(yīng)力計(jì)算其計(jì)算精度不僅可靠而且過(guò)程簡(jiǎn)單明了并且避免了用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算時(shí)在拱座等處出現(xiàn)內(nèi)力集中的缺點(diǎn)。用該方法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即可以清楚看出隧道襯砌變形和應(yīng)力分布但該方法也有不足之處即需要操作者有豐富的有限元分析和模型效驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn):[1]孫均侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)工程[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社1987.[2]徐干成白洪才鄭穎人等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)水利水電出版

10、社2002.[3]SD13484水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[4]DLT50571996水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].4結(jié)語(yǔ)通過(guò)驗(yàn)證可以用ANSYS中的梁?jiǎn)卧?、殼?上接第3頁(yè))計(jì)算結(jié)果表明盡管大型水庫(kù)對(duì)個(gè)別年份的洪水影響較大但對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果影響并不明顯。這主要是由于在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)PⅢ型曲線的適線受1911、1898和1933年等未受人類活動(dòng)影響的大水年控制個(gè)別中小量級(jí)的洪水所受水庫(kù)的影響在長(zhǎng)系列計(jì)算中基本可忽略不計(jì)。故可以認(rèn)為渭河流域大

11、型水庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果影響不大。上地區(qū)的較大洪水水庫(kù)的影響較為明顯如渭河咸陽(yáng)站1981年8月典型其對(duì)洪水的削減作用可達(dá)10%～15%而對(duì)洪水主要來(lái)源于非大型水庫(kù)控制的地區(qū)如渭河咸陽(yáng)站1954年8月典型其對(duì)洪水的削減作用僅為2%～4%。因此受暴雨時(shí)空分布等不確定性因素影響在設(shè)計(jì)條件下考慮水庫(kù)的影響是具有一定風(fēng)險(xiǎn)的。5結(jié)論渭河流域人類活動(dòng)目前已具有一定規(guī)模根據(jù)對(duì)流域內(nèi)水利水保工程的調(diào)查分析其產(chǎn)匯關(guān)系無(wú)明顯趨勢(shì)性變化只是個(gè)別年份的洪水由于主

12、要來(lái)源于大型水庫(kù)所控制的地區(qū)受水庫(kù)工程影響較為明顯。從設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算結(jié)果來(lái)看采用實(shí)測(cè)洪水系列與還原后的天然洪水系列相比各頻率洪峰、洪量計(jì)算成果相差約5%而且遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水還有潰壩的可能。說(shuō)明水庫(kù)工程及水保措施對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果影響不大。在設(shè)計(jì)條件下受暴雨時(shí)空分布等不確定性因素影響從工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的安全角度考慮渭河流域設(shè)計(jì)洪水可基本不再考慮水利水保工程的影響。4設(shè)計(jì)條件下大型水庫(kù)對(duì)洪水的影響分析渭河流域由于其下墊面條件的復(fù)雜性和人類活動(dòng)的多樣

13、性以及降水時(shí)空分布的不均勻性給流域洪水形成和變化規(guī)律研究帶來(lái)較大困難。尤其是對(duì)于不同類型暴雨條件下產(chǎn)生的設(shè)計(jì)洪水受人類活動(dòng)影響更是難以定量估算。利用流域水文模型分析水庫(kù)工程對(duì)不同典型的設(shè)計(jì)暴雨條件下產(chǎn)生的洪水影響可有效解決這一技術(shù)難點(diǎn)。該方法研究思路是:構(gòu)建適合本流域的水文模型并利用實(shí)測(cè)資料率定模型參數(shù)然后推求設(shè)計(jì)暴雨采用不同典型暴雨進(jìn)行時(shí)空分配最后利用模型分別按不考慮水庫(kù)防洪作用和考慮水庫(kù)防洪作用2種防案計(jì)算代表站設(shè)計(jì)洪水?？紤]水庫(kù)防