ansys在隧道襯砌結構分析中的應用 2

1、水工與施工西北水電2004年第1期文章編號:1006—2610(2004)01—0015—0315ANSYS在隧道襯砌結構分析中的應用石廣斌(國家電力公司西北勘測設計研究院西安710065)關鍵詞: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化成合理的計算力學模型在ANSYS數(shù)值模擬環(huán)境中按邊值法的分析思路對其進行結構分析。該數(shù)值分析結果已得到了邊值法驗證是可行的。中圖分類號:TV672.1文獻標識碼:

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構等襯砌的內(nèi)力計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構法第二類是基于地層應力理論的地層結構法第三類是基于洞周位移量測值反饋設計襯砌結構的收斂限制法。2類方法由于存在較多的隨機因素后和對操作人員要求較高等原因一般很少被工程設計人員所采用而第一類方法計算參數(shù)內(nèi)涵簡單而明了所涉及的不確定因素相對較少常常易被設計人員所接受事實上在工程中應用最多最普遍的方法也是第一類荷載結構

5、法。過去分析襯砌的結構常用規(guī)范推薦的結構力學法其實隨著有限元計算方法和技術的提高某些方法的分析思路可以在數(shù)值模擬環(huán)境中實現(xiàn)如規(guī)范中的邊值法就可行。下面就闡述該過程及其在某穿山隧道襯砌結構分析中的應用[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構強度分析可以簡化為圖1所示的內(nèi)力計算力學模型。該力學模型可以在西北勘測設計研究院引進的大型有限元程序ANSYS上實現(xiàn)平面和三維內(nèi)力或應力計算。若用平面有限元計算可以用ANS

6、YS單元庫里的梁單元BEAM3或平面實體單元PLAN2和PLAN42來模擬襯砌若用三維有限元計算可以用ANSYS單元庫里的殼單元SHELL63或SHELL93來模擬襯砌也可用三維實體單元SOLID45等來模擬襯砌。如果用實體單元PLAN2或SOLID45等來模擬襯砌配筋時可按應力法配筋也可把應力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力再用內(nèi)力配筋。文章只介紹用梁單元計算襯砌內(nèi)力結果。圖1力學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。通常方法是在拱座附近和直墻

7、段加若干個彈性支座并且設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)主要從事水工結構和巖土工程設計與計算方法研究.狀態(tài)(即不考慮襯砌與圍巖壁的粘結力)而不能處于受拉狀態(tài)從而實現(xiàn)圍巖只貢獻彈性抗力的功能。根據(jù)筆者經(jīng)驗一般情況下也即無內(nèi)水壓力的情況西北水電2004年第1期ANSYS計算出隧道襯砌結構在施工期和運行期等各工況下的內(nèi)力還必須把計算出的內(nèi)力代入專用配筋計算

8、后處理程序根據(jù)內(nèi)力的表現(xiàn)形態(tài)依據(jù)文獻[4]選擇適合的配筋計算公式即可計算出結構配筋面積。本工程襯砌內(nèi)力及配筋結果如表2。表2內(nèi)力及配筋計算結果表部位拱頂拱腰直墻計算工況施工期運行期施工期運行期施工期運行期配筋內(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、平面實體單

9、元、三維實體單元數(shù)值模擬技術按邊值法的分析思路實現(xiàn)隧道襯砌內(nèi)力或應力計算其計算精度不僅可靠而且過程簡單明了并且避免了用結構力學法計算時在拱座等處出現(xiàn)內(nèi)力集中的缺點。用該方法還有一個優(yōu)點即可以清楚看出隧道襯砌變形和應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的經(jīng)驗。參考文獻:[1]孫均侯學淵.地下結構工程[M].北京:科學技術出版社1987.[2]徐干成白洪才鄭穎人等.地下工程支護結構[M].北京:中國水利水電出版

10、社2002.[3]SD13484水工隧洞設計規(guī)范[S].[4]DLT50571996水工混凝土結構設計規(guī)范[S].4結語通過驗證可以用ANSYS中的梁單元、殼單(上接第3頁)計算結果表明盡管大型水庫對個別年份的洪水影響較大但對設計洪水計算成果影響并不明顯。這主要是由于在設計計算時PⅢ型曲線的適線受1911、1898和1933年等未受人類活動影響的大水年控制個別中小量級的洪水所受水庫的影響在長系列計算中基本可忽略不計。故可以認為渭河流域大

11、型水庫對設計洪水計算成果影響不大。上地區(qū)的較大洪水水庫的影響較為明顯如渭河咸陽站1981年8月典型其對洪水的削減作用可達10%～15%而對洪水主要來源于非大型水庫控制的地區(qū)如渭河咸陽站1954年8月典型其對洪水的削減作用僅為2%～4%。因此受暴雨時空分布等不確定性因素影響在設計條件下考慮水庫的影響是具有一定風險的。5結論渭河流域人類活動目前已具有一定規(guī)模根據(jù)對流域內(nèi)水利水保工程的調(diào)查分析其產(chǎn)匯關系無明顯趨勢性變化只是個別年份的洪水由于主

12、要來源于大型水庫所控制的地區(qū)受水庫工程影響較為明顯。從設計洪水的計算結果來看采用實測洪水系列與還原后的天然洪水系列相比各頻率洪峰、洪量計算成果相差約5%而且遇超標準洪水還有潰壩的可能。說明水庫工程及水保措施對設計洪水計算成果影響不大。在設計條件下受暴雨時空分布等不確定性因素影響從工程規(guī)劃設計的安全角度考慮渭河流域設計洪水可基本不再考慮水利水保工程的影響。4設計條件下大型水庫對洪水的影響分析渭河流域由于其下墊面條件的復雜性和人類活動的多樣

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