隧道结构力学分析计算书

有限元基础理论与

ANSYS应用

—隧道结构力学分析

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指导教师：

2014年12月

隧道结构力学分析

目录

目录 (2)

1. 问题的描述........................................................... 错误!未定义书签。

2. 建模....................................................................... 错误!未定义书签。

2.1 定义材料......................................................................... 错误!未定义书签。

2.2 建立几何模型................................................................. 错误!未定义书签。

2.3 单元网格划分 (5)

3. 加载与求解 (6)

3.1 施加重力加速度 (6)

3.2 施加集中力、荷载位移边界条件 (6)

4. 后处理 (8)

4.1 初次查看变形结果 (8)

4. 2 除去受拉弹簧网格.............. (9)

4.3 除去弹簧单元网格 (10)

4. 4 查看内力和变形结果 (11)

4. 5 绘制变形图 (12)

5. 计算结果对比分析 (14)

6. 结语 (14)

7. 在做题过程中遇到的问题及解决方法 (16)

8. 附录 (16)

山岭隧道结构力学分析

1.问题的描述

已知双线铁路隧道总宽为13.3米，高为11.08米，以III级围岩深埋段为例，隧道而衬厚度为35cm，带仰拱，采用钢筋混凝土C30，其重度为=25kN/m3，弹性模量为31GPa，泊松比为0.2，。该段该隧道的埋深为5米，围岩平均重度为23kN/m3,侧压力系数为0.3，计算围岩高度为6.588m，地层弹性抗力系数为500MPa/m。

试分析结构的应力和变形

图1双线铁路隧道断面（cm）

2.建模

2.1.定义材料

a.添加单元材料类型:

添加两种单元材料，分别为beam3和combin14

b.定义材料实常数:

Beam3材料，截面积0.35，高0.35，惯性矩0.35*0.35*0.35/12 c.定义材料力学指标:

Beam3材料，密度2500，弹性模量3.1e10,泊松比0.2

2.2建立几何模型

建立关键点，通过关键点创建弧线，生成的模型如下：

图2-1 生成的模型图

2.3.单元网格划分

a.设置单元大小并将所有直线划分单元，生成模型如下：

图2-2 生成的模型图

b.采用do循环命令进行创建弹簧单元操作，模型如下：

图2-3 带弹簧单元的单元网格图3.加载与求解

3.1.施加重力加速度

生成模型如下：

图3-1 生成的模型图

3.2.施加集中力，荷载和位移边界条件

在节点上施加集中力，加上荷载和位移边界条件后的几何模型如下：

图3-2 带荷载和边界条件的有限元模型图

4.后处理

4.1.初次查看变形结果

绘制变形图,未去除弹簧单元网格如下图所示：

如下所示：

图4-1 生成第一次变形模型图

4.2.除去收拉弹簧单元网格如下图所示：

图4-2 去除受拉弹簧单元后的网格图

4.3.去除弹簧单元网格如下图所示：

图4-3 “杀死”受拉弹簧65,66,67,126,127,128单元图4-4 “杀死”受拉弹簧68,69,70,123,124,125单元

图4-5 “杀死”受拉弹簧71,72,73,121,122单元 4.4.查看内力和变形结果

绘制变形图，如下图所示：

图4-6 绘制变形模型图

图4-7 生成的模型图 4.5.绘制变形图。

如下图所示：查看轴力、剪力、内力图，如下图所示：

图4-8 生成的模型轴力图图4-9 生成的模型剪力图

图4-10 生成的模型弯矩图

5.计算结果对比分析

结果对比：

min max

M keben -56867 47746

me -57547 48186

N keben -860267 -494036

me -865972 -495812

V keben -37251 37251

me -37197 37198

从中可以看出存在的误差可能的原因是，在4.3去除弹簧单元网格中，可以看到“杀死”单元时顺序不同，操作时导致结果存在微小差异。

6.在做题过程中遇到的问题及解决方法。

在进行做题过程中遇到了一些问题总结主要有一下几点：

（1）操作中出现命令流的输入错误，比如拼写错误导致不能识别，符号缺少与丢失等原因引起的错误。

（2）检查输入数据是，查到由于数据多，出现输入数据错误。

（3）在去除受拉弹簧时用到的程序未能给明白具体意思，因而没法操作。

（4）不同版本的ANSYS的识别也出现不能运行的情况。

解决的方法，对于（1）、（2）、（3）的情况通过在编写输入命令流时要细心的操作，完成后在进行检查与操作来验证，不明白不清楚的进行替换操作。对于（4）是由于在ANSYS10.0中对中英文不区分，而ANSYS12.0区分中英文标点符号，要重新修改才行。

7.束语

本题对采用暗挖法修建的双线铁路隧道，用荷载-结构模型进行山岭隧道结构力学分析。通过问题的描述、建模、加载与求解、后处理和计算结果分析。在设计应用中应进行衬砌结构内力和变形分析，然后根据规范进行结构承载能力和正常使用极限状态验算，并采取相应的结构构造处理措施。

通过本题的ANSYS实践操作，了解本方向即岩土与地下工程的一方面，关于隧道及地下工程结构设计中力学行为的有限元仿真分析。在了解了基本原理的前提下，结合平时老师在课堂上的所教所学，再查找资料。结合实际，在做书本的例题时，经过几天的实际操作，学到了许多东西，同时通过多次尝试，摸索出了一些平时不注意和很少用的东西，基本上完成了老师交给我的题目，但是还存在许多问题，出现了好多次的卡壳与重做。在这过程中，明白自己在ANSYS的操作上熟练程度差，编写命令流好要找资料进行模仿，同时在本题中就有与书本不一样的地方，就是因为没有弄清楚，采用其他代替的方法，这些都需要自己在接下来的学习中不断提高，为将来的自己的毕业设计做准备。

感谢老师给我们这样的一次有意义的大作业，这次作业全面的锻炼了我们在ANSYS操作上的能力，同时促进了大家在学习中的交流，让教室的学习气氛瞬间活跃起来，也促进了大家与师兄们讨论交流与学习。大家在这次交流学习中更加明白ANSYS在自己方向中有着重要的应用，为将来毕业设计打下了一定的基础。