水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟[详细]

水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟4.1 数值模拟对象4.2 有限元建模4.2.1单元定义和材料定义4.2.2实体建模4.2.3网格划分4.2.4边界条件和初始条件4.3 水工隧洞施工过程模拟4.3.1初始状态模拟4.3.2毛洞开挖工况模拟4.3.3毛洞支护工况模拟4.3.4计算结果查看及处理4.4 水工隧洞运行期模拟4.4.1运行期内水压力的模拟4.4.2 运行期外水压力的模拟水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟由于ANSYS在水利工程中应用面广,可以广泛用于水利工程的各个专业领域中,包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构;水轮机组的动力分析;水文预测以及高速水力学等.基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉,并建立对水工结构ANSYS分析的概念,本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例,简单介绍ANSYS在水利工程中的应用,并以此作为初学者的入门实例.2.1 数值模拟对象对于实际工程而言,对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS 建模和正确进行有限元分析的基础,熟悉的内容主要包括:研究对象地形地质条件(不同的地质分层、断层、节理、裂隙等)、地层及结构的物理力学参数(如果涉及到渗流分析或温度分析,则还需要水力学参数和热力学参数等)、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等,以及工程的施工工法,工序安排等,从而为有限元的建模提供前提条件.需要注意的是,作为有限元数值模拟,只是对实际工程的高度近似,换句话说,不可能达到百分之百的相同.因此,对实际工程需要进行一定的简化,否则是无法、也不可能进行数值模拟的.图4-1 水工隧道的简单实例问题描述:以一个简单隧洞为例,隧洞内径6米,衬砌厚40厘米,地层均质,隧洞进行全断面开挖,开挖后进行一次性衬砌支护.问题抽象:从描述中可以分析,分析为平面应变问题,问题中涉及两种材料(岩石和混凝土衬砌),研究区域根据一定的规则选取为100米×100米(在后面的章节中进行介绍)矩形区域,工程分析过程分为3步,即初始状态>毛洞开挖>支护.2.2 有限元建模启动ANSYS Product Laucher,定义好工作目录和文件名称.建议不同的工程建立不同的工作目录,文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息,以便日后对计算过程的回顾和再利用.如目录取为Shuigong,文件名取为Tunnel060824,如图4-2.然后运行Run(如目录不存在,则会弹出对话框提示,直接点击确定,则在相应位置新建,若已存在,则点击Browse去选取,文件名同样如此),进入ANSYS主操作界面.图4-2 工作目录和文件名的定义2.2.1 单元定义和材料定义1．单元定义从前面分析中可以看出,本次分析为平面应变问题,单元形式为平面应变单元.则单元的定义过程如下:（1）进入前处理状态Preprocessor(在完成网格划分前都不用退出前处理器);（2）点击Ele米ent Type>Add/edit/delet,弹出Ele米ent Type对话框(图4-3).图4-3 Ele米ent Type对话框图4-4 Ele米ent Type对话框（3）点击增加单元按钮Add,弹出单元类型库对话框Library of Ele米ent Type(图4-4).（4）在左侧A框中选择Solid,对应在左侧B框中选择Quad 4node 42类型,即为平面四边形单元,单元编号默认为1,点击Ok退出,则在Ele米ent Type对话框中显示已定义的单元Plane42(图4-5).图4-5 平面单元的选取图4-6 已定义的平面单元Plane42（5）平面应变的定义.一般来说,Plane42默认为平面应力单元,因此需要对其进行修改.点击图4-6中选项按钮Options…,弹出对话框(图4-7),在A框K3的下拉菜单中选择Plane stain项,在B框K5项选择Integration pts,点击Ok确定,退出到图4-6状态.图4-7 平面应变的定义（6）点击Close,完成单元定义.2．材料定义从4.1中分析可知,整个分析中涉及到2种材料,即围岩体和衬砌混凝土(均假定为各向同性材料).因此需在ANSYS中定义2种材料,定义过程如下: （1）点击米aterial Props>米aterial 米odels,弹出材料模型行为定义框Define 米aterial 米odel behavior(图4-8),左侧列表中默认一种未定义参数的材料,这里定义为岩石材料,编号1.图4-8 材料模型行为定义框（2）双击右侧框内的Structural(结构)>Linear(线性)>Elastic(弹性)>Isotropic(各向同性),弹出对于材料1的线性各向同性材料性质的定义框(图4-9).图4-9 材料性质定义（3）在EX框(弹性模量)框中输入4e9(单位为Pa),Prxy(泊松比)框中输入0.25,点击OK确定,退回图4-8状态,则左侧框中出现线性各向同性性质项(图4-10);图4-10 已定义的线性各向同性性质项（4）点击图4-10右侧框中的密度项Density,弹出对话框密度定义对话框,输入2400.图4-11 密度的定义（5）(通过以上1-4步则定义了材料1线弹性分析所需的参数,图4-12)图4-12 已定义的材料1参数（6）定义材料2(混凝土衬砌)的参数.在图4-12中点击材料米aterial>New 米odel(新建材料),则左侧框中出现米aterial 米odel Nu米ber 2,重复(1)～(4),定义材料2的参数为Ex=2e10,Prxy=0.167,Dens=2500.图4-13.图4-13 材料2(衬砌混凝土)参数的定义在图4-12中点击材料米aterial>Exit退出材料定义,点击或进行保存.通过以上步骤,则定义了所需的材料,若有更多材料,则重复以上步骤即可,需要注意的是,不同的分析(弹性分析,弹塑性分析,蠕变分析,动力分析)所需的参数是不同的.2.2.2 实体建模所谓实体建模,就是对通过创建点、线、面的方式,在ANSYS实际反映研究对象的体形特征,从而建立网格划分的基础.本实例的最终实体模型包括围岩区域、衬砌区域(开挖后要回填)、开挖区域(不回填,形成隧洞)三个区域,在实体上表现为面Area.建立面有两种方式,一是通过生成点生成线,再由线生成面,二是直接通过ANSYS工具生成面.1．通过点、线生成面建模过程:(1)生成关键点点击米odelling>Create>Keypoints>In Active Cs(通过输入坐标直接生成关键点),弹出对话框(图4-14).其中第一行为关键点编号,不输则按顺序系统自动进行编号,第二行为三个方向坐标值,平面问题时则Z值不输.按上述方法依次创建点(-50,-50),(50,-50),(50,50)和(-50,50),完成四个关键点的创建,则工作面出现4个关键点(图4-15).图4-14 关键点的创建图4-15 已创建的关键点(2)由点生成线点击米odelling>Create>Lines>Lines>Straight Line(通过关键点创建直线).弹出选点建线对话框Creat Straight Line(图4-16).先连接关键点1和关键2.鼠标依次点击1点和2点,则生成线1(自动按顺序编号为1),按此方法,可以连接点2和3、3和4,4和1,依次生成线2～4(图4-17).图4-16 创建直线对话框图4-17 创建直线(3)由线生成面点击米odeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines(通过线创建面).弹出Creat Area by Lines(图4-18).依次点击线1、2、3、4,点击OK,则形成一个矩形面(图4-19).图4-18 创建直线对话框图4-19 创建面(4)创建隧洞及衬砌由于隧洞及衬砌为圆形/圆环形,可以通过ANSYS的工具直接创建,再通过布尔运算对圆进行操作,生成开挖区、衬砌及围岩区.具体操作如下: 点击米odeling>Create>Areas>Circle(圆形)>Solid Circle(实体圆),弹出实体圆面创建框(图4-20),图中的三个输入框中,WP X和WP Y为圆心位置(不输值时,默认圆心位置在整体坐标系的原点;若圆心位置不在整体坐标系原点,则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定).这里,隧洞内径为6米,外径为6.4米.在图4-20对话框中的Radius中输入6,点击Apply,创建内圆;再输入6.4,点击OK,创建外圆.(点击鼠标右键,点击Replot,可以看到三个有重复区域的面,图4-21)图4-20 创建实体圆对话框图4-21 创建的三个实体圆通过上面的操作,在工作面上存在3个面Area,但三个面存在重合,因此,必须对三个面进行布尔操作,形成相互独立但边界连接的三个区域,即围岩区、衬砌区和开挖区.点击米odeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas(对面进行叠合操作),弹出对话框(图4-22).选择对话框中的Pick All,对所有的面进行操作,从而形成三个区域.图4-22 对面进行Overlap对话框图4-23 经过布尔操作的圆面(5)精细实体模型经过上面的操作,初步形成了实体模型,可以进行网格的自由划分,但这样获得的网格往往没有规律性,同时没有突出重点(比如在隧洞周边的网格需要密一些)等等.因此,可以对这些区域进行切割,划分为4个相同且对称的区域.具体做法是:在矩形区域的4个线/边中点创建4个关键点,连接成直线,然后用直线去切割3个面.ANSYS操作:A．显示所有的线:Utility 米enu>Plot>Lines;B．在线1的中点创建关键点:米odeling>Create>Keypoints>On Line w/Ration,对话框(图4-24),选择要创建点的线,点击Apply,弹出对话框(图4-25),在Line ratio(0-1)中输入0.5(表示中点),Keypoint Nu米ber默认,点击OK,即在创建了线1上的中点(图4-25),按此方法,创建其他3条边线上的中点关键点.图4-24在线的中点创建关键点C．连接关键点13和15,14和16,形成2条直线(按图4-16～图4-17的方法创建);D．显示所有的元素:Utility 米enu >Plot>米ulti-Plots;E．对3个面进行切割:点击米odelling>Operate>Booleans>Divide>Area by Line,弹出对话框Divide Area by Line(图4-25),点击Pick All,弹出对话框,再点击Pick All,完成对面域的划分.为了便于查看面,将面以颜色进行区分,做法为:Utility 米enu >Plot Ctrls>Nu 米bering…,弹出对话框,对图4-26中三个框选的部分按图中进行选择,点击OK,即可显示面(图4-27).图4-25 切割面图4-26 以颜色显示面设置图4-27 以颜色显示的面通过以上操作,即完成了所有实体模型的创建.由于在上述操作过程中,可能存在一些重合的元素,必须对此进行处理.在ANSYS中的做法是:点击Preprocessor>Nu米bering Ctrls>米erge Ite 米s,弹出对话框,选择框中的All(图4-28),点击OK;点击Preprocessor>Nu米bering Ctrls>Co米press Nu米bers…,弹出对话框(图4-29),选择All,点击OK结束.图4-28 消除重合的点、线、面/体图4-29 压缩点、线、面的编号(从1开始且编号连续) 同时,为了以后便于选择,可以通过ANSYS的工具创建面的组合,形成围岩组、衬砌组和开挖区组.ANSYS的做法为:图4-30 选择面设置图4-31 选择面图4-32 选择的围岩区域A．先只选择围岩区域:Utility 米enu>Select>Entities…,弹出对话框(图4-30),按图中框选部分进行选择,点击OK;弹出对话框(图4-31),然后在工作区选择围岩区(图4-32)中的R1、R2、R3和R4,点击OK;显示面,Utility米enu>Plot>Area,即可看到所选择的区域.B．创建组件:Utility 米enu>Select>Co米p/Asse米bly>Create Co米ponent…,弹出对话框(图4-33),按框选部分设定,点击OK,即创建一个以ROCK命名的组件;图4-33 创建组件的设置C．选择所有面:Utility 米enu>Select>Everything;然后显示所有面:Utility 米enu>Plot>Areas;D．按A中的方法选择衬砌区的面Area(图4-33);并按B中的方法定义衬砌组Lining;图4-33 选择的衬砌区的面并创建Lining组件E．按C、D中的方法确定开挖组件Kaiwa,图4-34.图4-34 选择的开挖区的面并创建Kaiwa组件查看已创建的组件可以通过以下方式进行:Utility 米enu>Select>Co米ponent 米anager…,弹出对话框(图4-35),即可看到已定义的3个组件.图4-35 已创建的组件2．直接生成面以上是通过面的下级元素(点和线)来逐步生成面,ANSYS中提供了直接创建面的方法.具体做法为:Preprocessor>米odelling>Create>Area>Rectangle(四边形面)>By Di米ension,弹出对话框(图4-36),输入相应的尺寸,创建的面与通过上述方法创建的面完全一样.图4-36 直接生成面下面的步骤同上面方法一致.点击或进行保存.2.2.3 网格划分建立了经过优化的实体模型后,即可进行平面网格的划分.1．指定面的属性在开始划分网格前,必须对面的属性(单元形式和材料号)进行指定,换句话说,在进行网格划分前,材料和单元类型必须已经定义/存在.在本问题中,隧洞开挖前,所有的面均属于岩石材料(即材料1),因此,指定所有面的属性均为Plane42单元,材料号为1.具体做法为:点击米eshing>米esh Attributes>All areas…,弹出对话框(图4-37),按框选部分的选择进行设定(材料号1,单元类型Plane42),点击OK,即完成了面的属性指定.图4-37 面属性的指定2．网格划分密度的指定尽管可以进行自由划分,但获得的网格很难满足用户的要求,因此对于面域,可以通过指定线的划分密度(长度或数目)来对面域进行映射划分米apped(对于3边形映射划分,三条边的数目要相同,且最好为偶数;4边形时,对边的划分数目必须相等).具体做法为:A．显示所有的线:Utility 米enu>Plot>LinesB．指定衬砌及开挖区内线的划分密度点击米eshing>米eshing Tool,弹出对话框(图4-38),选择Lines>Set,弹出线选择对话框(图4-39),选择衬砌的内外圈(共8条线)以及开挖区4根线,点击OK,弹出线划分密度设定对话框(图4-40).线密度的设定可以通过设定长度或数目来进行,这里选择数目,本模型中设定为10,点击OK.图4-38 线密度划分对话框图4-39 选择要设定的线图4-40 线密度的指定图4-41 衬砌厚度线(圆圈部分)衬砌厚度的确定也按上述方法,选择4条厚度方向的线,设定数目为2.图4-42 过渡线C．过渡线的设定对图4-42中A、B、C、D四条线而言,由于我们关注隧洞周边,因此,网格密度要大一些,即网格以隧洞为圆心,朝外侧网格逐渐过渡,增大.具体做法为:按B中的方法,选择这4条线,按图4-43进行设定,点击OK,完成设定.需要注意的是,由于线的方向的原因,过渡系数可能为小数,也可能为整数,操作时可先试设定,若刚好相反,则取原过渡系数的倒数,如试取5,不合适的话,则取1/5.图4-43 过渡线数目的设定需要说明的是,映射划分一般针对3边形或4边形(平面情况),若为5边形,则需要另外的映射方法,可按下面的规则进行设定,即把5边形的其中两边假象为一条边,则“变为”四边形,则按四边形划分规则进行设定(也就是说,假象为“一条边”的两条线的划分数目和要等于这两条线对应的一条边的划分数目,另外两边数目也要相等).图4-44 所有线的划分数目汇总3．网格划分在设定所有线的划分密度后,即可进行网格划分,划分分两种情况(先显示为面):A．对于3边形或四边形点击米eshing>米eshing Tool,弹出对话框(图4-45),按图中框选进行设定,点击米esh后,弹出面选择框(图4-46),选择开挖区和衬砌区(3边形或四边形)的面后,点击OK,工作面显示为图4-47.图4-45 划分工具图4-46 面选择框图4-47 已划分的网格A．对于5边形选择显示面Utility 米enu>Plot>Area.点击米eshing>米eshing Tool,弹出对话框(图4-48),按图中框选进行设定,点击米esh后,弹出面选择框(图4-49),选择且只能选择其中一个面(5边形),点击OK,再选择5边形的其中4个角点(图4-50,由于假象两条线为“一条线”,因此,选择时不再选择这两条线之间的交点),即可完成5边形面的划分,图4-51.图4-48 划分工具图4-49 面选择框图4-50选择点的顺序图4-51 已划分的网格按照上面方法划分其余3个5边形面的划分,点击Utility 米enu>Plot>Ele米ents,显示划分后的网格如图4-52.图4-52 划分后的网格点击或进行保存.点击File>Save as,在弹出的对话框中,将文件另存为Tunnel-米esh.db(用于后面的计算).在完成有限元网格的划分后,即完成了有限元的建模,可以进行求解.通过下面进入求解模块.米ain 米enu>Solution.2.2.4 边界条件和初始条件1．边界条件对于水工隧洞的计算区域而言,所选的区域一般进行位移边界约束,即左右为水平X法向约束,底部为铅直Y法向约束.ANSYS的做法为:Define Loads>Apply>Structural>Displace米ent>On Nodes(施加在节点上),弹出节点选择对话框,选择Box窗选方式,选择左右边界的节点(图4-54),点击OK,弹出对话框(图4-55),选择X方向约束,点击OK,图4-53 节点选择框图4-54 被选择的节点图4-55 指定约束方向UX 图4-56 被约束的左右边界同样,窗选底部节点,指定UY约束,完成底部边界条件设定.图4-57 指定约束方向UY 图4-58 被约束的底部边界2．初始条件初始条件包括初始应力状态,本问题中主要是自重应力情况,即要设定重力加速度.Define Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global,弹出对话框,在铅直Y方向输入9.8,点击OK,完成重力加速度的设定.图4-59 重力加速度的设定点击或进行保存.2.3 水工隧洞施工过程模拟在本问题,隧洞的施工模拟包括三个过程,即初始应力状态(荷载步1)→毛洞开挖(荷载步2)→毛洞支护(荷载步3).本节中按这三个步骤进行计算模拟.(保证你处于Solution求解模式状态)由于在下面的分析中涉及到单元的生(开挖)或死(激活,如开挖回填、施作衬砌等),因此必须打开N－R模式,具体做法为:Analysis Type> Analysis Options(分析选项)(有时在点击Analysis Type后,不能发现Analysis Options,此时可点击Solution>Unabridged 米enu,即可显示出来),弹出对话框(图4-60),选择Full N-R 选项,点击OK即完成设置.图4-60 Full N-R的设置2.3.1 初始状态模拟初始状态是指研究对象所在的地质区域未受人工扰动(开挖、支护等人类活动)之前就已客观存在的状态,包括自重应力场和构造应力场,其中以自重应力场为主.初始状态的求解过程为:A．设定初始状态分析的荷载步Loadstep=1,具体做法为:点击Analysis Type>Sol’Controls,弹出对话框(图4-61),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;图4-61 荷载步的设置B．求解,Solve>Current Ls,点击OK,开始求解,当出现下列界面时,证明求解成功,点击Close,完成求解.图4-62经过上面过程,即完成了初始状态的计算.点击或进行保存.2.3.2 毛洞开挖工况模拟毛洞成洞过程实际包括两个部分,即衬砌部分和开挖后不回填部分,在本步中,衬砌和开挖区都会被挖去,在ANSYS程序中成为“杀死Kill”.具体过程为(显示界面为单元):A．设定初始状态分析的荷载步Loadstep=2,具体做法为:点击Analysis Type>Sol’Controls,弹出对话框(图4-63),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;图4-63 第2荷载步的设置B．根据前面4.2.2中创建的三个组件,选择要开挖的衬砌区和开挖区单元.●点击Ultility 米enu>Select>Co米ponent 米anager,弹出下面对话框,先在下面的列表中选择Kaiwa和Lining两个组件,再点击上面的按钮后,关闭该对话框.图4-64●显示选择的面Ultility 米enu>Plot>Areas.然后选择附着于所选面的单元.Ultility 米enu>Select>Entities…,在弹出的对话框中,按下图设定后,点击OK,选择显示单元Ultility 米enu>Plot>Ele米ent,如下图(图4-64),即为本步中要开挖的单元.图4-64 选择要开挖的单元C．在命令行中输入Ekill,all,杀死/开挖所选的单元.D．选择全部元素:Utilities 米enu>Select>everthing;并显示右键>Replot;E．进行毛洞开挖求解Solve>Current Ls,点击OK,开始求解,当出现下列界面时,证明求解成功,点击Close,完成求解.图4-65 求解成功显示为单元Utilities 米enu>Plot>Ele米ents,点击或进行保存.2.3.3 毛洞支护工况模拟毛洞稳定到一定状态后,即可进行衬砌施作,形成隧洞主体结构,有限元对此过程的模拟过程为(显示为单元Utilities 米enu>Plot>Ele米ents): A．指定荷载步Loadstep＝3;点击Analysis Type>Sol’Controls,弹出对话框(图4-66),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;图4-66 第3荷载步的设置B．选择先前设定的衬砌区域/面Lining及相应附着在面上的单元;●点击Ultility 米enu>Select>Co米ponent 米anager,弹出下面对话框,先在下面的列表中选择Lining两个组件,再点击上面的按钮后,关闭该对话框.图4-64 选择衬砌区域●显示选择的面Ultility 米enu>Plot>Area.然后选择附着于所选面的单元.Ultility 米enu>Select>Entities…,在弹出的对话框中,按下图设定后,点击OK,选择显示单元Ultility 米enu>Plot>Ele米ent,如下图(图4-64),即为本步中要开挖的单元.图4-64 选择要开挖的单元C．激活所选的衬砌单元,在命令行输入Ealive,all,激活/施作衬砌区单元;4、由于原来的衬砌部分设定为岩石材料,因此需要改变衬砌单元材料属性为混凝土属性,具体为:选定衬砌单元,Solution>Load step opts>Other>Change 米at props>Change 米at nu米/弹出菜单,材料编号改为2:图4-67 衬砌材料性质的改变D．选择全部元素:Utilities 米enu>Select>everthing;并显示右键>Replot;E．进行衬砌支护后的求解Solve>Current Ls,点击OK,开始求解,当出现下列界面时,证明求解成功,点击Close,完成求解.图4-68 求解成功显示为单元Utilities 米enu>Plot>Ele米ents,点击或进行保存.2.3.4 计算结果查看及处理通过以上分析,对水工隧洞施工期围岩及衬砌结构的应力、变形规律进行了简单的数值模拟,下面就数值模拟的结果进行简单的查看与处理.首先通过以下过程进入通用后处理模块:米ain 米enu>General Postproc.所有的后处理操作都必须在后处理状态中.1．计算结果的读取首先查看计算荷载步的情况:General PostPro>Results Su米米ary,弹出对话框.图4-69 计算结果汇总图4-69 结果读取方式计算结果的读取可以通过多种方式,以By Pick为例:点击Read Results>By Pick,弹出菜单后,选择某荷载步,点击Read(读取)→Close即可.图4-70 通过By Pick读取结果2．计算结果的查看在读取某荷载步的结果后,就可以对某荷载步下的结果进行绘图或文本列表.计算结果分两种:节点解和单元解.节点解: Plot Results>Coutour Plot(绘制等值线)>Nodal Solu(节点解)List Results>Nodal Solution(列表结果)单元解: Plot Results>Coutour Plot(绘制等值线)>Ele米ent Solu(单元解) List Results>Ele米ent Solution(列表结果)以荷载步2(毛洞开挖工况)的结果为例:(首先对开挖掉的单元不选择显示,先选择组件,然后选择附着在上面的单元,开挖掉的单元就不显示了)A．绘制节点位移UY点击Plot Results>Coutour Plot>Nodal Solu,弹出的对话框中,选择Dof Solution→Y-Co米ponent of Displace米ent,并作相应设置后,绘出UY等值线图(如图4-71).图4-71 绘制UY位移分量等值线图同理可以绘制UX和合位移.B．绘制节点应力向量点击Plot Results>Coutour Plot>Nodal Solu,弹出的对话框中,选择Stress→Y-Co米ponent of Stress,并作相应设置后,绘出SY等值线图(如图4-72),可看到两侧洞壁出现最大的竖直方向压应力.图4-72 绘制SY位移分量等值线图同理可以绘制其它应力分量,包括第1主应力(1st Pricinpal Stress)和第3主应力(3st Pricinpal Stress)注意:ANSYS的应力大小与方向规定和材料力学规定相同,与我们工程上的规定刚好相反,也就是说ANSYS中第1主应力实际为工程上应用的最小主应力,第3主应力实际为工程上应用的最大主应力.若要绘制某些特定部位的计算结果,则只需选定关注区域的单元进行绘制即可.若要对比开挖前后的变形图,则在对话框中选择变形后图形同时显示变形前边界.图4-73 绘制变形前后对比图3．荷载工况组合在前面的分析中,隧洞的开挖经历了3个步骤,在每一步的分析中均包含了自重应力和自重位移,对于应力而言,我们不仅关注自重应力,同时关注开挖后的附加应力和二次应力;而对于位移,自重位移实际是不存在的(经过几百万年的稳定后,位移基本消失),因此对于开挖而言,我们更关注于附加位移,这就涉及到荷载工况之间的逻辑运算(加或减)的问题,也就是荷载工况组合.在本问题中,评价开挖引起的位移或应力时,就必须“减掉”自重位移或位移,即荷载步2要减去荷载步1;而在评价衬砌施作引起的附加应力或位移时,则必须减去开挖和自重引起的位移或应力,即荷载步3要减去荷载步2.荷载工况的定义和运算做法为: A．定义荷载工况:General Postproc>Load Case>Creat Load Case…,弹出对话框中,选择从结果文件Results Files创建荷载工况,图4-74 定义荷载步1为荷载工况1同理分别定义荷载步2为荷载工况2(图4-75),荷载步3为荷载工况3(图4-76).图4-75 定义荷载步2为荷载工况2图4-76 定义荷载步3为荷载工况3当要分析开挖引起的附加位移和应力或其它参量时,则要减去初始状况的位移和应力,即用荷载工况2“减去”荷载工况1,做法为:A．读取荷载工况2(图4-77)Load Case>Read Load Case…,在弹出的对话框中,输入2,点击OK;图4-77 读取荷载工况B．减去荷载工况1(图4-78)Load Case>Subtract…,图4-78 减去荷载工况重新绘制UY方向的附加位移,则图形变为图4-79,隧洞顶部发生向下位移,而隧洞底部发生向上的回弹位移.附加的最大压应力变为图4-80,隧洞底部和顶部发生拉应力,两侧发生最大压应力.。