基于ANSYS的隧道结构变形和受力分析
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟
隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。
关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。
在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。
一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。
在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。
基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。
当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，分析过程中将围岩视为隧道结构上的荷载，且为结构本身的一部分，两者间的相互作用通过围岩的弹性支撑对结构施加约束来实现。
二、隧道结构受力分析实例2.1 设计概况目标隧道为双向六车道设计，含多种断面衬砌类型，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。
第3章ANSYS隧道工程应用实例分析
中国
澳大利亚
奥地利 日本
弹性地基圆环
局部支撑弹性地 局部支撑弹性地基圆 基圆环 环、 经验法加测试、 FEM 埋深<2D： 顶部无 支撑的弹性地基 圆环 埋深>3D： 全周支 撑的弹性地基圆 环或 FEM 埋深 <2D：顶部无支撑 的弹性地基圆环 埋深 >3D：全周支撑的 弹性地基圆环或 FEM
弹性地基框架、FEM、 弹 性 地 基 框 特征曲线法 架、FEM
第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 构体系，故又称为围岩—结构共同作用模型。这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构 只是用来约束和限制围岩的变形，这一点刚好与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩 变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护 结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌 与喷层等结构物，而且还包括锚杆、钢筋及钢拱架等支护在内。 围岩—结构共同作用模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为 它符合当前施工技术水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松 动压力的产生。这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特性和支护材料的非线性特性、开挖 面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等。 利用此模型进行隧道设计的关键问题是， 如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决 了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力及位移状态。 这种模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收敛—约束法图解，绝大部分隧道求解时因 数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析求解。
3.1.3 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
立隧道ANSYS有限元分析模型
立隧道ANSYS模型运用ANSYS软件建立隧道围岩模型和求解步骤比较复杂，篇幅很长，图片也很多，大约45页左右，这是本次毕业设计的主体部分，也是本次毕业设计的难点。
先选择安装本次毕业设计的有限元软件，根据老师的要求及软件功能的考虑，选择ANSYS Mechanical APDL 10.0软件进行毕业设计。
ANSYS Mechanical APDL 10.0版本，大小相较其他版本很小（安装后仅仅1.5G左右），占电脑内存小，而且单元类型较多（比后续的新版多一些简单的模型），对初学者很方便和友善，完全满足本次毕业设计的要求。
接下来就详细记述本次设计的围岩受力模型的具体步骤（共计15步）。
1、新建初始的物理环境：点主菜单的“ANSYS Main Menu”，再点“Preferences”，弹出“Preferences for GUI Filtering”为题的窗口，之后点“Structural”，跟着点击“OK”键，如图3.2所示。
这样操作就完成了新建初始的物理环境（图形界面的过滤）。
图3.2图形界面过滤2、命名工作标题：再次回到主菜单寻找ANSYS主界面最上方的“Utility Menu”，先点“File”，再点“Change Title”，在弹出的对话框中写上此次毕业设计的围岩结构标题名“structure A.db”，点“OK”，如图3.3所示。
图3.3 命名工作标题3、定义单元类型：在主菜单点“Main Menu”，点“Preprocessor”，点“Element Type”，点“Add/Edit/Delete”，在界面上会弹出一个窗口，点“Add”，如图3.4所示；接下来再次弹出一个窗口。
选“Beam”（梁），再选“2D elastic 3”，如图3.5所示；点“Apply”。
在左面选“combination”，在右侧选“Spring-damper 14”，如图3.6所示；最后再点“OK”，再次点如图3.7所示的窗口的“Close”。
基于ANSYS的单线铁路隧道结构受力模拟分析
衬砌结构 ， 地下工程 的衬砌结构主要模仿拱桥 的计算 方法 ， 特点 是 只将衬 砌 作为 受力 结构 ， 围岩 作为 荷 其 而
载作 用 在衬砌 上 ， 因此 当时 衬 砌 结 构 的 厚 度偏 大 。随
着社 会 的发展 ， 类对 地 下空 间 的利用 越来 越 多 ， 别 人 特 是２ Ｏ世 纪 ５ Ｏ年代 ， 喷射 混凝 土 和锚 杆 支 护 得 到 了 广 泛 的应 用 Ｊ特别 是 “ 奥 法 ” ， 新 的成 功 ， 一 步 确定 了 进 锚杆 在 隧 道 支 护 结 构 中 的地 位 Ｊ 。这 样 的 柔 性 支 护 使 洞 室 开挖后 围岩有 一 定 的变 形 ， 围岩 产 生 一个 塌 落 拱， 内部 的应 力 重 新 调 整 （ 力 重 分 布 ） 衬 砌 的厚 度 应 ，
基 于 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ的单线铁路隧道结构受力模拟分析 ： 王恒松
陈
燕
４９
文章 编号 ：６ ２— ４ ９ ２ １ ）４—０ ４ ０ １７ ７７ （０ １０ ０ ９— ２
基 于 Ａ Ｓ Ｓ 的 单 线 铁 路 隧 道 结 构 受 力 模 拟 分 析 Ｎ Ｙ
王恒松 陈 燕
（ ．铁道第三勘察设计 院集 团有 限公 司 ， １ 天津 ３ ０４ ； ．中国地质 大学 （ ０ １２ ２ 武汉 ） 湖北武汉 ４ ０ ７ ） ， ３０ ４
小于 １ 的系数得到的， 围岩 的等级不同这个系数也不
相同 ， 可按表 ２中的经 验公式 计算 。
（） ２ 隧道结 构 的 自重 通 过设 定 重 力 加 速 度 ｇ为 ９ ８ 自动 为 衬 砌 结 构 ．
添加。 （） ３ 水压
２ 工 程 概 况
某 铁路 隧道 主要 穿 越 Ａ 市北 部 Ｂ山。距 Ａ市 约
隧道开挖ansys模拟分析
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。
建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。
在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。
考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。
根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。
因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。
对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。
（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。
两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。
在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。
在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。
对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。
弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1） 式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。
基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析
基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析刘莉莎;郎秋玲;黄非【摘要】This paper simulates the internal force of tunnel supporting structure by using finite element a-nalysis software ANSYS,calculates and analyzes stress,bending moment,displacement etc.,in order to de-termine the most dangerous section and the part of the largest stress of tunnel supporting structure,thus to achieve reasonably determine the tunnel excavation,optimize the structure of tunnel support design,and re-duce the construction cost.%运用有限元分析软件 ANSYS 模拟隧道支护结构的内力，对隧道支护结构的轴力、弯矩、位移等进行计算分析，从而确定最危险截面和受力最大的部位，达到合理确定隧道开挖、优化隧道支护结构设计，降低其建设成本的目标。
【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P14-16)【关键词】ANSYS;隧道;轴力;弯矩;位移【作者】刘莉莎;郎秋玲;黄非【作者单位】长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021【正文语种】中文【中图分类】U451.40 引言目前，伴随着岩土力学的发展，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。
关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程1.引言隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。
诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。
在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。
隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。
2. 工程背景及有限元模型的建立2.1隧道工程概况某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。
左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。
隧道左洞全长319m；右洞全长315m。
左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。
隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。
图2.1隧道设计断面图图2.2魁岐隧道出洞口图2.2材料参数选择根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。
各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。
表1各岩土层厚度及材料参数隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。
隧道及地下工程ANSYS实例分析_第5章_双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析[1]
![隧道及地下工程ANSYS实例分析_第5章_双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/85e80cf87c1cfad6195fa70a.png)
5.1二次衬砌结构力学分析/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM，/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM，Structural!/PREP7 !进入前处理器ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型ET，2，COMBIN14 !设置弹簧单元类型R，1，0.4，0.0053333，0.4，，，，!设置梁单元几何常数R，2，400e6，，，!设置弹簧单元几何常数MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度SAVE !保存数据库1．建立几何模型K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）K, 2, 4.71, -1.82, ,K, 3, -4.71, -1.82, ,K, 4, 0, -3.75, ,K, 5, 0, 5.05, ,K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）K, 30, -5.6, -2.16, ,K, 40, 0, -4.75, ,K, 50, 0, 6, ,!创建隧道衬砌线LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）LARC, 5, 3, 1, 5.05,LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）第1章大型有限元软件ANSYS简介2 ! 创建地层弹簧线LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）LARC,50, 30, 1, 6,LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）SAVE !保存数据2．单元网格划分设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件
浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件摘要：在公路隧道设计与施工中，为了提前判断在开挖和支护工程中隧道的结构安全性，隧道结构计算的数值研究方法就成为了一种重要的设计依据和施工控制措施。
本文提供了一种方法，即利用ANSYS软件模拟隧道结构在开挖个步骤中的计算模式与应用条件。
关键词：隧道结构ANSYS模拟隧道的结构分析是利用工程力学原理，选取合理的介质，通过相似模型体系对其结构进行计算，具体过程一般通过两个途径来进行，其一是利用相似性理论，采取合理的相似系数，在室内通过模型试验来模拟实际的工程问题。
其二是数值计算，这种方法伴随着计算机的发展有了长足的进步。
目前，伴随着岩土力学的发展，再加上计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
有限元法先将结构分解为有限的小单元，在每一个单元上，利用弹性力学、弹塑性力学等力学理论建立力学性能参数之间的关系，然后根据位移或者应力协调条件把这些小单元组合起来，求出整体结构的力学特征。
因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组，而矩阵代数建立的方程组非常方便与计算机的存储与求解，所以，有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。
1模型的建立利用ANSYS来模拟隧道开挖过程，有两种建模方法，一个是建立真三维的模型，三维模型不仅可考虑围岩的流变特性，还能考虑开挖和支护的空间效应，能保证较好的计算精度。
但是建模复杂，计算时间长，且费用较高。
另一种建模方法是建立二维模型，即按平面应变问题来处理，隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多,在忽略掘进的空间效应及岩石流变效应的影响时,计算模型取为平面应变是可行的。
另外，可以通过各阶段相应的初始应力释放系数来考虑开挖过程和支护时间早晚对围岩及支护受力的影响。
本文采用后者建立有限元模型。
相对于整个岩体而言，开挖所引起的应力重分布的区域是有限的，因而要确定计算模型的范围。
实践和理论分析表明，对于地下洞室开挖后的应力应变，仅在洞室周围距洞室中心点3～5倍洞室开挖宽度（或高度）的范围内存在实际影响。
ANSYS隧道结构受力实例分析
矿业软件与应用——Ansys考试试题学院：资源与安全工程学院指导老师： xxx姓名： xxx学号： xxxxxxxx时间： 2014年6月21日ANSYS隧道结构受力实例分析某隧道工程为三心拱隧道，隧道位于地表以下10米处，洞直径10米，其具体尺寸见下图。
根据工程地质勘探报告，岩土各参数为：密度为2700kg/m3，E=1.4×1010Pa，u=0.27，黏聚力c=2.72×106Pa，内摩擦角Φ=35°。
地面上主要为交通荷载，根据估计每米有2.5吨的荷载直接作用于地基上。
计算要求如下：（1）交通载荷已经存在。
（2）计算结果报告中包括约束条件、荷载；位移、Y方向应力等值线图，塑性区等结果。
进行力学特性分析。
（3）提供建模、计算过程地GUI命令。
操作过程一、创建物理环境⒈在“开始”菜单中选取“所有程序>ANSYS Product launcher”并点击；⒉选中File Management，在Working Directory栏输入工作目录“C:\Users\dell \李懿鑫”，在“Job Name”栏输入文件名“020*******”。
⒊单击“RUN”按钮，进入ANSYS的GUI操作界面。
⒋过滤图形界面：Main Menu>Preferences,弹出Preferences for GUI Filtering对话框，选中Structural来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤，如图1-1。
图1-1⒌定义工作标题：Utility Menu>File>Change Title，在弹出的对话框中输入020*******，单OK按钮，如图1-2。
图1-2⒍定义单元类型1）定义PLANE82单元：Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击Add按钮。
ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用 2
水工与施工 西北水电·2004 年·第 1 期文章编号: 1006—2610( 2004) 01—0015—0315AN SYS 在隧道衬砌结构分析中的应用石广斌( 国家电力公司西北勘测设计研究院, 西安 710065)关键词: 局部变形理论; 隧道衬砌; AN SY S; 稳定分析 ; 边值法摘 要: 根据局部变形理论, 把隧道衬砌简化成合理的 计算力学模型, 在 A NSY S 数值模拟 环境中, 按边值法的分析 思路, 对其进行结构分析。
该数值分析结果已得到了边值法验证, 是可行的。
中图分类号: T V 672. 1 文献标识码: BApplication of ANSYS in structural analysis of tunnel liningSHI Guang-bin( China Hydr o No rt hw est Invest igat ion , Design & Resear ch Inst it ut e , Xi'an 710065, China )Key Words: local def ormat ion t heo ry; t unnel lining; ANSYS; stability analysis; method boundAbstract: F ollo wing t he l ocal defo rmat ion t heor y , tunnel lining is simplif ied t reaso nable co mput at io nalmechanics model. In t he enviro nm ent of ANASYS dig it al mo delling , it s st ruct ural an sis is carried out in line wit h t he co ncept of method of bound. T he results of digit al analy sis hav e been v e ied by t he met ho dof bound and are pr act ical.目前, 用于水工、铁路、公路、矿山隧洞以及城市 地下空间结构等衬砌的内力计算方法大致可以分为 3 大类: 第一 类是, 基于地 层压力理论的 荷载结构 法; 第二类是, 基于地层应力理论的地层结构法; 第 三类是, 基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的 收敛限制法。
山岭隧道受力有限元分析ANSYS实例教学
山岭隧道受力ANSYS有限元分析实例教学目录一、问题重述 (1)二、模型的建立 (3)2.1模型绘制 (3)2.2模型参数选取 (3)2.3模型网格划分 (3)2.4计算外荷载（计算DK5+632断面） (4)2.5施加荷载与约束 (7)三、求解模型与受拉地基弹簧的修正 (8)四、求解结果 (10)4.1弯矩、轴力应力云图 (10)4.2关键节点内力 (10)五、附录 (11)附录1 全部节点等效荷载表 (11)附录2 全部节点内力表 (13)附录3 剪力图 (16)一、问题重述隧道起讫里程为DK4+843.5~DK6+430，全长1586.5m ，DK5+632处采用暗挖法施工，该断面的地层及结构等信息见下图。
(a) 纵断面图（单位：m ）(b) 横断面图（单位：cm ）里程 D K 5+632300°∠65°根据地质资料得：围岩级别为Ⅳ级，隧道上方土体重度依次从上往下取γ1 =18 kN/m3，γ2=23kN/m3。
请采用荷载-结构模式对该断面衬砌结构（仅二次衬砌）进行受力分析：（1）试求隧道围岩压力和有限元模型的等效节点力（不考虑重力）？（要求：单元长度取0.3m，画出单元和节点图，编制表格列出各节点的等效节点力）。
（2）采用有限元软件计算结构内力，绘制弯矩图和轴力图，列出特征部位的内力二、模型的建立2.1模型绘制在ANSYS建模，以二次衬砌中轴线为轮廓，隧道断面模型如下图：图2.1 隧道断面尺寸示意图（cm）二次衬砌采用Beam188梁单元模拟，地基弹簧采用Combin14弹簧单元模拟。
隧道纵向计算长度取为1m，二次衬砌参数选取如下表：2.3模型网格划分单元长度取0.3m，网格划分后，单元图、节点图分别如下：图2.2 离散化-节点图图2.3离散化-单元图2.4外荷载的计算（计算DK5+632断面） 2.4.1 验算坑道高度与跨度之比1232644.3032120.902 1.71232723.553212H B ++++==++++＜式中，H 表示坑道高度，B 表示坑道跨度根据我国《铁路隧道设计规范》，可以采用统计法计算。
基于ANSYS分析不同截面的地铁隧道开挖变形和应力分布
工程技术建 筑 技 术 开 发·79·Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第48卷第6期2021年3月隧道工程围岩变形和受力一直是岩石力学工作者比较关心的问题，随着人类对生存空间的不断探索，利用地下空间的实例越来越多，如地铁隧道。
软土地基区段的变形灾害问题日益突出，所以对于隧道开挖过程中围岩变形的研究很有必要，也是人们非常关心的课题[1]。
意大利的G.Galli 等[2]利用有限单元法模拟了隧道的开挖和支护过程，深入分析了隧道施工过程中掌子面的位移及围岩—衬砌的相互作用；Weishen Zhu 等[3]运用施工过程力学（CPM ）原理和有限元的数值模模拟方法，通过对各种不同岩性、开挖方式和不同支护系统下隧道围岩的破坏和变形的预测，来分析隧道的稳定性；Sung O.Choi 和Hee-Soon shin [4]通过借助于HB 隧道，采用FLAC 3D 数值软件，不仅分析了在软弱围岩隧道中各支护形式的优缺点，同时对开挖后的力学受力情况进行了研究。
周毅等[5]针对地质条件复杂，围岩破碎且隧道埋深变化较大的兰渝铁路两水隧道，采用FLAC 软件对隧道施工过程进行数值模拟分析，研究了不同埋深隧道施工过程中开挖进尺对围岩变形的影响。
并以此确定了隧道的埋深与开挖进尺之间的影响关系，确定了在不同埋深的情况下的最优循环进尺，为施工方案的选择提供依据；张志强等[6]运用有限元方法建立了不同条件下土层的三维力学模型，并研究地面沉降的规律。
王清标等[7]采用数值差分软件FLAC 3D 研究了不同工法下隧道交叉区域围岩的应力变化以及对于既有线路的影响规律，根据结果对施工工法进行了比选。
可以看出国内外诸多学者对隧道开挖、盾构后围岩的变形及应力情况进行了分析，有的对比了不同的施工工艺下隧道围岩变形及应力分布；有的利用数值分析模拟等手段分析地表的变形规律；有的推导出地面沉降公式。
隧道结构变形与受力特征的稳定性有限元分析
0 引言随着中国市政交通设施的逐渐完善，城市轨道管理运营里程逐渐增加，在建筑施工过程中，公路隧道建设将成为城市轨道运营管理中不可或缺的一部分，然而在设计高水压隧道结构时，受到地质水文因素的影响，增加了隧道的开挖难度，为施工进程带来了施工隐患，因此对隧道结构变形与受力特征的稳定性分析成为当前市政施工的重点工程之一，为降低隧道结构变形，提高受力特征的稳定性，国内学者进行了大量的研究。
陈仁朋等[1]提出一种考虑围护结构变形影响的盾构隧道横向受力理论计算方法。
杨晓华等[2]提出一种基于钢管混凝土承载原理可快速施工的拼装型复式支护结构。
在模型试验的基础上，采用数值模拟的方法对不同埋深及不同地层条件下复式支护结构的承载性能进行了研究，认为复式支护结构在稍密、中密和密实砂卵石地层中均有良好的效果，在稍密地层中相较于锚喷支护可减少51.22%的地表沉降。
代树林等[3]利用MIDAS 有限元分析软件建立隧道数值模型，基于有限元强度折减法结合突变理论，以隧道失稳特征点位移和塑性应变数据为基础，通过失稳判据判断偏压隧道的稳定性情况。
汪坚等[4]对杭州某工程地上结构与地下结构合建段进行了研究，利用有限元分析方法探究了地上结构施工对合建地下结构受力变形影响，认为地上结构施工会引起地下结构水平位移在结构宽度方向上呈现先减小、再增大、最后再减小的变化趋势。
郑刚等[5]使用有限元程序ABAQUS 建立了精细化盾构隧道结构模型，考虑土体渗流场、应力场与隧道结构的耦合相互作用，开展了渗流-应力耦合的三维有限元数值模拟，分析了侵蚀空腔引起的隧道沉降、错台、张开以及管片混凝土塑性应变等，揭示了不同侵蚀空腔发展方向引起的隧道结构变形模式的差异，并结合侵蚀空腔引起的隧道周围土压力分布解释了产生该差异的原因。
基于此，本文以四川某市政隧道工程为例，通过利用通用软件ANSYS11.0建立有限元模型，对隧道的结构变形与受力特征的稳定性进行分析与研究，根据有限元分析的研究结果，可以有效地提供施工的安全性和稳定性，解决因富水区带来的施工隐患的问题，具有一定的推广价值。
隧道及地下工程ANSYS实例分析-第5章-双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析
5.1二次衬砌结构力学分析/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM，/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM，Structural!/PREP7 !进入前处理器ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型ET，2，COMBIN14 !设置弹簧单元类型R，1，0.4，0.0053333，0.4，，，，!设置梁单元几何常数R，2，400e6，，，!设置弹簧单元几何常数MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度SAVE !保存数据库1．建立几何模型K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）K, 2, 4.71, -1.82, ,K, 3, -4.71, -1.82, ,K, 4, 0, -3.75, ,K, 5, 0, 5.05, ,K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）K, 30, -5.6, -2.16, ,K, 40, 0, -4.75, ,K, 50, 0, 6, ,!创建隧道衬砌线LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）LARC, 5, 3, 1, 5.05,LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）第1章大型有限元软件ANSYS简介2 ! 创建地层弹簧线LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）LARC,50, 30, 1, 6,LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）SAVE !保存数据2．单元网格划分设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
隧道内力及可靠度分析操作流程手册
隧道结构内力及可靠性分析操作流程手册目录第一章隧道结构内力分析1.1 Ansys菜单操作本例以标准图1202普货-200双线Ⅳ级围岩无砟隧道为例。
本隧道为二衬为c35混凝土，混凝土弹性模量为32E10，泊松比为0.2，Ⅳ级围岩弹性反力系数为350e6，计算按照深埋求得竖向及水平荷载。
第一步：定义工作文件名和工作标题⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu：File→Change Jobname，出现Change Jobname对话框。
在【/FILNAM】Enter new Jobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。
⑵选择菜单Utility Menu：File→Change Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK按钮关闭该对话框。
第二步：定义单元类型选择菜单Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出现Element Types 对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。
在左侧滚动栏中选择Structural Beam，在右侧滚动栏中选择2D elestic 3，单击Apply按钮，定义Beam3单元，如图1-1所示。
最后单击Close按钮关闭对话框。
图1-1 单元类型库对话框第三步：定义单元实常数选择菜单Main Menu：Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，出现Real Contants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Contants对话框，单击OK按钮，选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，最后在弹出的Real Constant for BEAM3对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.45、惯性矩IZZ：0.00759375、高度HEIGHT：0.45，如图1-2所示。
最新ANSYS公路隧道二次衬砌受力分析
精品资料A N S Y S公路隧道二次衬砌受力分析........................................课程设计任务书题目公路隧道二次衬砌受力分析学会利用ANSYS的功能分析隧道二次衬砌等一些相对复杂的结构，使对ANSYS的操作更加娴熟，更好的投入实际应用。
二、设计的内容及要求设计内容：某高速公路隧道，采用矿山法施工，隧道V级围岩中。
其围岩埋深为21.173m，隧道内断面轮廓如下图，采用C30混凝土，厚度为50cm。
做出内力图，列出各单元内力值。
《二衬荷载按照计算荷载的30%计算，并保留三位小数》操作步骤：1.1 指定工作文件名。
执行“开始→程序→ANSYS→ANSYS Product Launcher”菜单命令创建Job Name 为Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way 1.2 定义分析标题执行“Utility Menu→File→Change Title”菜单命令，在对话框中输入“Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way”Main Menu→preferencers在弹出的菜单选择structural.1.3定义单元类型执行“Main Menu→Preprocess→Element Type→Add/Edit/Delete”然后执行：add→beam→2D elastic 3→OK；再Add→COMBIN→Spring-damper14→OK关闭窗口。
1.4定义单元实常数执行Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→add→ok→Type 1 BEAM3 →OK→Real Constant Set No.栏中输入1，在AREA栏输入0.5→在IZZ(惯性矩)栏输入0.5*0.5*0.5*/12→HEIGHT(高度)栏输入0.5→Apply;同理定义弹簧实常数k，100e6。
基于ANSYS的隧道二衬内力计算[详细]
![基于ANSYS的隧道二衬内力计算[详细]](https://img.taocdn.com/s3/m/78a2f25b6294dd88d1d26b24.png)
单击Size Controls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PlotCtrls>Numbering命令，如图
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。
• 执行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Line Element Res命令， 显示图形。
完
• 运用统计法计算，竖向均布作用为
•
• 式中 S ——围岩级别
• γ——围岩重度
•
ω——宽度影响系数，其值为：ω=1+i（B-5）
•
B ——坑道宽度
•
i ——此处取i=0.1。
• 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/B＜1.7的范围内 （H为坑道的高度，B为坑道宽度）。
—围岩的摩擦角。
ii) 求侧压力系数λ：
•
• iii)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；
•
γ —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：
e1 =γhλ
e2=γHλ
• 式中 H —地面到洞底岩体高度。
执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Delete
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３ 计算结果 － ３ 由于本文所研 究的贾湾 隧道为深埋类 型的隧道 ， 在计算时荷 载只 考 虑了隧道结 构的 自重 以及 围岩压力 ， 应力分布 主要 以竖直应力为主 ， 同时由于围岩产 生了一定 的水平荷载 ， 故也 出现 了一定 的水平应力 。
… ： ＼ 二 爻
— — — —
图 １最终隧道结构变形图 图２结构弯矩 图（ 单位 ： ／ Ｎ ｍ） 由图 １ 可以看 出 ， 在隧道 顶部 ， 变形 背向地层 ， 其 由于不受 到 围岩 的约束而产生 了 自由变形 ， 而在 隧道 两侧 及底部 ， 结构产生朝 向地层 的 变形 ， 受到 围岩约 束阻止其变形 。由于仰拱处施 加 的力 为拱顶与结 并 构的 自重 ， 力变大 了 ， 即发生 了侧墙 的水平侧移 ， 这也将导致 仰拱 的变 化使其逐 渐隆起 ， 而增 大 内力 。从 计算结果得 知围岩 的整 体位移较 从 小， 最大位移发生在 ｌ 号节点处 ， １ 大小 为 １ ｃ ． ｍ。从图 ２ ２ 可知 ， 弯矩 的分 布相对不是很均匀 ， 主要发生 在仰拱 和拱脚 上 ， 最大正弯矩 出现在仰Ｓ Ｓ晌 隧 遇 结 构 变 形 和 受 力 分 析 Ｙ
王丽娟 商 勇 徐 毅 （． １兰州交通大 学土木 工程学 院 ２兰州交通 大学机 电工程 学院 ３中国交通 第一航 务工程局第二 工程有 限公 司 ） ． ．
［ 摘 要］ 本文 结合具体 工程 实例 ， 采用传统 的结构 力学模 型“ 载一 结构模 型” 强度 准则“ ｕｋ Ｐａｅ” 服准则 ， 用ＡＮＳ 荷 和 Ｄｒｃ－ ｒｇｒ屈 利 ＹＳ 软件 将支护结构 与围岩进行受力分析 ， 实现 隧道 开挖 与支护 的模拟 。从 而 以安全性的 角度 出发 ， 为结构优化设 计以及 工程施工提供 依据 和指导。 ［ 关键词 ］ 有限元 ＡＮＳ 隧道结构 ＹＳ 在开挖 隧道 的过程 中， 由于施 工对 地层的扰动 ， 使原有结构 在开挖 后 容 易产 生变形 或者 崩塌 。为 了保 证施 工过程 及使 用过程 中 的安 全 性， 大都要修建 衬砌这种支护结构 。由于隧道是埋于地层 中的结构物 ， 它的受力与变形 与围岩的性质密不 可分。因此 ， 在进行数值模 拟时 ， 将 衬 砌与围岩作为统一 的受 力体 系来考虑 ， 使其共 同承担荷载 。
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式中 ：
围岩表面上任意一点 的压缩变形 ， 单位 ： ； Ｉ ｎ 围岩在 同一点所产生的弹性抗力 ， 单位 ： ａ ＭＰ ； Ｋ—— 围岩弹性抗力系数 ， 单位为 ＭＰ ／ ａ ｍ。 对 于列车荷载 、 地震力等其他荷载 ， 一般 情况 可以忽略不计算。 ３ＡＮＳ Ｓ软件在隧道开挖 中的应用 ． Ｙ ３１ ．实体建模及网格划分 在 划分 网格时 ， 隧道衬砌支护结构采用 Ｂ ａ ｅｍ３梁单 元 ， 而隧道与 围 岩 之 间的相互 作用采 用 Ｃ ｍｂｎｔ ｎ ４ 元 ｏ ｉａ ｏ １ 单 ｉ 。实 际上 ， 弹簧长度 对计 算结果 没有影响 ， 因此 ， 弹簧单元长度取 为 １计算参数 见表 １ ， 。 表 １材料 的物 理力 学指标
Ｏ＝ ＂ ｉ （） １
进行 隧道 结构受力 分析时 ， 用地 层弹簧来模 拟围岩与结 构间相互 作用 ， 在隧道顶部不需要添 加弹簧单元 。而在隧道两侧及底部 ， 围岩对 衬砌产生 了弹性抗力 ， 这个 区域称 为“ 抗力 区” 需要添加弹簧单元 。在 ， 模 拟隧道结构与 围岩相互作用 的过程 中， 发现有 四根弹簧是受拉的 ， 必 须 去掉。删除后 ， 再重新进行计算 ， 到结构 变形 图中没有受拉弹簧为 直
１工 程 概 况 ．
表 ２荷载计算表
荷 载 种 类 围岩 压力 垂直均布力／Ｎｍ （／ 围 岩 压 力 重 力 加 速 度 水平均布力／Ｎ／ （ ｍ ） ｇ（ ／ ） ／ｍ ｓ
数值
２９ ９ ６４６
１７ ９ ０７８
９８ ．
贾湾 隧道为新建 铁路兰 州至乌鲁木 齐第二 双线的一个 单位工程 ， 位 于青海省 乐都县境 内。该隧道腰部 和顶部衬砌厚度 为 ８ ｅ ， ５ｒ 隧道仰 ａ 拱 衬砌厚度为 １ ０ｒ。采用 Ｃ ０ ０ｅ ａ ４ 钢筋 混凝土为衬砌材料 ， 隧道 围岩是 Ｖ 级， 洞跨 为 １ ．ｍ， ４７ 属于深埋隧道 ， 隧道仰拱下无水压 。 ２ＡＮＳ Ｓ有 限 元 数 值 模 拟 ． Ｙ ２１ 学及材料模型 ．力 本文 采用传统 的结 构力学模型 ， 以支护结构作 为受力主体 ， 围岩 将 作 为荷载来 源和支护 结构 的弹性支撑 。进 行分析 时 ， 以认 为隧道 的 可 支 护结构 与 围岩 的相互作 用是 通过 弹性支撑 对结 构施加 约束来 实现 的。围岩的承载能力越好 ， 它给予支护结构 的压力则会 越小 。岩石 、 混 凝土 等材料都属于颗粒 状材料 ， ＡＮ Ｙ 分析 中 ， 在 ＳＳ 采用 Ｄ ｕｋ Ｐａｅ屈 ｒｅ— ｒｇｒ 服准则 。 ２２ 算 荷 载 ．计 目前 隧道结 构设计一般采用 主动荷 载加被 动荷 载模型。在 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ 分析时 ， 一般要计算 以下几种隧道荷载 ： （） １ 围岩压 力 ： 是隧道最主要 的荷 载。对于铁道 隧道 ， 以根据《 可 铁 路隧道设 计规范 Ｔ １０ ３ ２ ０ ｝ Ｂ ０ ０ — ０ ５ 计算 出埋身隧道 围岩的垂直均 布力和 水平均布力” Ｉ 。 （） ２ 支护结 构 自重 ： 可按拟定 的结 构尺寸和材料重度进行计 算。在 Ａ ＹＳ ＮＳ 软件 中， 可通过 直接 添加密度施加。 （） ３ 地下水压力 ： 含水地层 中 ， 在 静水 压力可按照最低水位考虑 。 （ 被动 荷载 ： ４） 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：