隧道工程大作业

地质力学分析和设计的一个重要方面是利用结构支撑来稳定岩石或土壤质量。任意几何和性质的结构，以及它们与岩石或土体的相互作用，可以是用FLAC3D建模。本节描述结构支撑构件(梁、索、桩)的类型。外壳、地质格栅和衬垫或结构单元，可在FLAC3D中找到，以及数值公式支持结构元素逻辑。

结构元素既可以独立于代表固体连续体的网格，也可以耦合到网格上。结构元素逻辑的实现与其余的方法一样，都是显式的拉格朗日求解过程。代码(相对于隐式矩阵反演过程)：完整的运动方程是解决了，甚至对于本质上是静态的建模过程也是如此。大位移，包括几何位移非线性，可以通过指定一个大应解模式来解决；系统在时域上也可以通过动态分析选项得到。

本概述部分的组织方式如下。我们首先简要描述FLAC3D提供的六种结构支持成员。然后，在术语中，对相关术语进行高层次的介绍.。结构元素的创建和连接的方法是接下来讨论(几何创建和连接结构元素)。讨论内容包括描述由梁结构的集合组成的特定物理实体(例如物理梁)。元素和节点可以被引用-用于绘制和指定属性和边界。条件-作为一个单一的单位。文中还介绍了边界规范的一般程序，以及初始条件(指定边界和初始条件)，壳中的应力(壳中的应力),协调系统和符号约定(在地方系统和签署公约中)，阻尼条件(在指定阻尼和时间步长条件)，热膨胀(结构中的热膨胀元素)和材料特性(在材料特性中)。

在描述FLAC3D结构单元的每一种类型之前，讨论结构节点可以规定的各种条件是很有帮助的。这是在结构元素节点中完成的。本节还包括与节点关联的命令摘要。

然后详细描述了每种结构单元的梁、索、桩、壳、土工格栅和衬砌结构单元。这包括对机械行为、所需属性和相关命令的描述。最后，在每一节的末尾都包含了一些简单的例子，说明了每种结构元素类型的应用。

在结构元素逻辑的一般表述中，详细讨论了FLAC3D中结构元逻辑的一般形式。希望实现结构元素和网格之间更复杂的交互的用户应该查阅本节，以了解实现过程。

在整个章节中，矩阵和向量将用黑体表示。数学符号｛｝,【】和「」，并将分别指定矩形矩阵、对角线矩阵、列向量和行向量。此外，结构和元素矩阵将描述大写和小写英文字母字符。例如，[K]和[k]分别指定结构矩阵和单元刚度矩阵。

结构元素类型

六种形式的结构-支持成员可以指定。这些成员中的每一个都可以相互连接和/或网格。

1、梁结构单元-梁结构单元是两个节点，直线，每个节点有六个自由度的有限元：三个平移部件和三个旋转部件。梁(即各向同性材料和双对称截面的任意弯曲梁结构)可以被建模为梁单元的集合。每个单元表现为没有破坏极限的线性弹性材料；然而，可以引入一个

极限塑性弯矩，甚至一个塑性铰链(旋转中的不连续性可能会在其中发展)。在元素之间。梁单元可以与网格严格连接，当网格变形时，梁内产生力和弯矩，它们可以通过点荷载或分布荷载来加载。梁单元用于对存在弯曲抗力和有限弯矩的结构支撑构件进行建模，包括在明渠开挖和一般框架结构中的点荷载或分布荷载作用下的支撑柱。

2、锚杆结构单元.锚杆结构单元是两节点、直的、有限元单元，每个节点具有一个轴向平移自由度.。索(即各向同性材料的任意弯曲的索结构)可以被建模为索单元的集合。每个元件都可以在拉伸或压缩中屈服，但不能抵抗弯矩。在索和网架之间发生剪切方向(与锚杆轴线平行)的摩擦相互作用。锚杆可以锚定在网格中的一个特定点，或者通过灌浆使力沿其长度发展，以响应锚杆与网格之间的相对运动。锚杆也可能是点加载或预紧。索元件被用来建立各种结构支撑构件的模型，这些构件的抗拉能力是非常重要的，包括锚杆螺栓和系杆。

3、桩结构单元-桩结构单元为双节点、直线、有限元，每个节点有6个自由度。桩可以模拟成桩元的集合。桩单元的刚度矩阵与梁单元的刚度矩阵是一致的；然而，除了提供梁的结构性能外，在桩与网格之间还会发生法向(垂直于桩轴)和剪切方向(与桩轴平行)摩擦

相互作用。从这个意义上说，桩提供梁和电缆的综合特性。除了摩阻效应外，还可以模拟端承效应(见轴向受载桩).。桩的荷载可以是点荷载，也可以是分散荷载。桩单元用于模拟基础桩等结构支挡构件，对其进行正常和剪切两种形式的摩擦作用，与岩体或土体发生相互作用。

本文还建立了一种特殊的材料模型作为桩单元的扩展，用于模拟锚杆加固的性能。该模型考虑了钢筋周围围压应力的变化、结构单元与网格之间材料的应变软化行为以及单元的拉伸断裂。

4、壳结构单元-壳结构单元是三节点平面有限元.。有五种有限元形式(2种膜单元、1种板弯单元和2种壳单元)。壳(即各向同性或正交异性材料的任意弯曲的壳体结构)可以模拟为由壳体单元集合组成的面面。壳体的结构响应受有限元形式控制(仅抵抗膜荷载、弯曲荷载，或同时承受膜和弯曲荷载)。各壳单元表现为各向同性或正交异性、线性弹性材料，没有破坏极限；然而，人们可以在单元之间的边缘引入一条塑性铰链线(旋转中的不连续性可能发展)，使用与梁相同的双节点程序。壳单元可以与网格严格连接，以便应力随着网格的变形而在壳内发展，并且可以通过点荷载或表面压力来加载。采用壳单元对任何薄壳结构提供的结构支撑进行建模，忽略横向剪切变形引起的位移。

5、土工格栅结构单元-土工格栅结构单元是三节点、平面、有限元，它们被指定为一种有限元类型，它能抵抗薄膜，但不抵抗弯曲荷载。膜可以模拟成土工格栅单元的集合。土工格栅单元表现为各向同性或正交异性、线性弹性材料，无破坏极限。格栅与FLAC3D网格之间存在切变方向(切面到土工格栅表面)摩擦相互作用，使该格架沿法向运动。土工格栅可以锚定在FLAC3D网格中的一个特定点，或者附加在它的表面上，从而响应于该格网与FLAC3D网格之间的相对运动。土工格栅可以被认为是一维锚杆的二维模拟.。土工格栅单元用

于模拟与土的剪切相互作用非常重要的柔性膜，如土工织物和土工格栅。

6、衬砌结构单元--衬砌结构单元是三节点扁平有限元单元，可指定为壳体单元的五种有限元类型中的任意一种。线性可以建模为连接到FLAC3D网格表面的线性元素的集合。除了提供壳体的结构特性外，还会在衬板与FLAC3D网格之间发生剪切定向(切面到衬垫表面)摩擦相互作用。另外，在法向上，可以同时承受压缩力和拉力，衬里也可以承受。可能会从网格中脱离(并随后与之重新接触)。衬砌单元用于模拟薄衬砌，在这种衬砌中既发生了正常的压缩/拉伸作用，又发生了与宿主介质的剪切摩擦作用，如喷射混凝土衬砌隧道或挡土墙。

一个选项，允许与FLAC3D网格的两面线是可用的衬垫元素。

术语

FLAC3D通过加入结构单元逻辑，可以模拟由实体连续体和承载构件组成的机械系统的结构响应。固体连续体由一组多面体形状的区域组成，每个区域都与一组网格点相关联。该框架由一组结构元素表示，每个元素都与一组节点相关联。框架通过连接节点到区域(不仅仅是网格点)或其他节点的链接与实体连续体进行交互。

六自由度，由三个平移分量和三个旋转分量组成，与每个节点相关联。每个节点都有自己的局部正交坐标系。节点-局部系统提供了求解节点运动方程的方向，并定义了节点可以通过链接连接到目标