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第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析

内容 提要

本章首先介绍了隧道工程的相关概念；然后

介绍了ANSYS的生死单元及DP材料模型；最后用2个实例分别详细描述了用ANYS实现隧道结构设计和隧道施工模拟的全过程。

本章重点

隧道工程概述

隧道施工ANSYS模拟的实现

ANSYS隧道开挖模拟实例分析

ANSYS隧道结构实例分析

本章典型效果图

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 4.1 隧道工程相关概念

4.1.1 隧道工程设计模型

国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种： ? 以工程类比为主的经验设计方法。

? 以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以

洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。

? 作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、

弹性地基圆环等。

? 连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。

4.1.2 隧道结构的数值计算方法

通常，隧道支护结构计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维或三维问题，并且计算还与开挖方法、支护过程有关。对于这类复杂问题，必须采用数值方法。目前用于隧道开挖、支护过程的数值方法有：有限元法、边界元法、有限元—边界元耦合法。 其中有限元法是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧道及地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性以及几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。但该法需要将整个结构系统离散化，进行相应的插值计算，导致数据量大，精度相对底。大型通用有限元软件ANSYS就可用于隧道结构的数值计算，还可以实现隧道开挖与支护以及连续开挖的模拟。

边界元法在一定程度上改进了有限元法精度，它的基本未知量只在所关心问题的边界上，如在隧道计算时，只要对分析对象的边界作离散处理，而外围的无限域则视为无边界。但该法要求分析区域的几何、物理必须是连续的。

有限元—边界元耦合法则使采用两种方法的长处，从而可取得良好的效果。如计算隧道结构，对主要区域（隧道周围区域）采用 有限元法，对于隧道外部区域可按均质、线弹性模拟，这样计算出来的结果精度一般较高。

4.1.3 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

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 传给地层。

表4-2 隧道荷载 荷载分类 永久荷载 荷载名称 结构自重 结构附加恒载 围岩压力 土压力 混凝土收缩和徐变的影响 可变荷载 车辆荷载 车辆荷载引起的土压力 冲击力 公路活载 冻胀力 灌浆力 温差应力 施工荷载 偶然荷载 落石冲击力 地震力 附加荷载 特殊荷载 附加荷载 活载 恒载 说明 主 要 载 荷 4.2 隧道施工过程ANSYS模拟的实现

4.2.1 单元生死

4.2.1.1 单元生死的定义

如果模型中加入或删除材料，对应模型中的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失的情形定义为单元生死。单元的生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活所选择单元。单元生死功能主要用于开挖分析（如煤矿开挖和隧道开挖等）、建筑物施工过程（如近海架桥过程）、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面应用（如用户可以根据已知单元位置来方便地激活或杀死它们）。

需要注意的是，ANSYS单元的生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure产品。此外，并非所有ANSYS单元具有生死功能，具有此生死功能的单元见表3-1。

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 表3-1 ANSYS中具有生死功能的单元 LINK1 PLANE2 BEAM3 BEAM4 SOLID5 LINK8 LINK10 LINK11 PLANE13 COMBIN14 PIPE16 PIPE17 PIPE18 MASS21 BEAM23 BEAM24 PLANE25 MATRIX27 LINK31 LINK32 LINK33 LINK34 PLANE35 SHELL41 PLANE42 SHELL43 BEAM44 SOLID45 BEAM54 PLANE55 SHELL57 PIPE59 PIPE60 SOLID62 SHELL63 SOLID64 SOLID65 PLANE67 LINK68 SOLID69 SOLID70 MASS71 PLANE75 PLANE78 PLANE82 PLANE83 SOLID87 SOLID90 SOLID92 SHELL93 SOLID95 SOLID96 SOLID97 SOLID98 PLANE121 SOLID122 SOLID123 SHELL131 SHELL143 SURF151 SURF152 SURF153 SURF154 SHELL157 TARGE169 TARGE170 CONTA171 CONTA172 CONTA173 CONTA174 CONTA175 CONTA176 LINK180 PLANE182 PLANE183 SOLID185 SOLID186 SOLID187 BEAM188 BEAM189 SOLSH190 FOLLW201 SHELL208 SHELL209 PLANE230 SOLID231 SOLID232 PIPE20 PLANE53 PLANE77 SHELL132 SHELL181 在一些情况下，单元生死状态可以根据ANSYS计算所得数值来决定，如温度值、应力值等。可以利用ETABLE命令和ESEL命令来确定选择单元的相关数据，也可以改变单元的状态（如溶解、固结、破裂等）。这个特性对因相变引起的模型效应（如焊接过程中，结构上的可熔材料的固结状态因焊接从不生效变成生效，从而使模型增加了原不生效部分）、失效面扩展以及其他相关分析的单元变化是很有效的。

4.2.1.2 单元生死的原理 要实现单元生死效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子ESTIF。因子的默认值为10E-6，也可以赋予其他数值。死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效（但任然在单元荷载列表中出现）。同样，死单元的质量、阻尼、比热和其他类似参数也设置为0。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。一旦单元被杀死，单元应变也就设为0。 同理，当单元“出生”，并不是将其添加到模型中去，而是重新激活它们。用户必须在前处理器PREP7中创建所有单元，包括后面将要被激活的单元。在求解阶中不能生成新的单元，要添加“一个单元，必须先杀死它，然后在合适的荷载步中重新激活它。

当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元荷载等将恢复其原始的数值。重新激活的单元没有应变记录，也无热量存储。然而，初始应变以实参数形式输入（如LINK1单元）却不受单元生死操作的影响。此外，除非打开大变形选项（NLGEOM，ON），一些单元类型将恢复它们以前的几何特性（大变形效果有时了用来得到合理的结果）。如果其承受热量体荷载，单元在

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 被激活后第一个求解过程中同样可以有热应变。根据其当前荷载步温度和参考温度计算刚被激活单元的热应变。因此，承受热荷载的刚被激活单元是有应力的。

4.2.1.3 单元生死的使用 用户可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死功能，其在各种分析操作中的基本过程是相同的。这个过程可包括以下3个步骤： 1. 建立模型

在前处理器PREP7中生成所有的单元，包括那些只有在以后荷载步中激活的单元。因为在求解器中不能生成新单元。 2. 施加荷载并求解

4.2.1.4 单元生死的控制

1. 利用ANSYS结果控制单元生死

在许多时候，用户不能清楚知道要杀死和激活单元的确切位置。如，在热分析中要杀死熔融的单元（即在模型中移去的熔化材料），事先不知道这些单元的位置，这时，用户就可以根据ANSYS计算出的温度来确定这些单元。当用户根据ANSYS计算结果（如温度、应力、应变）来决定杀死或激活单元时，用户可以使用命令来识别并选择关键单元。 用下列方法识别单元： 命令方式：ETABLE

GUI方式：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table 用下列方法来选择关键单元： 命令方式：ESEL

GUI方式：Utility Menu>Select>Entities

接着用户可以用EKILL/EALIVE命令杀死/激活所选择的单元。用户也可以用ANSYS的APDL语言编写宏来执行这些操作。

下面的例子是杀死总应变超过允许应变的单元：

/SOLU ！进入求解器

... ！标准求解过程 SOLVE FINISH

/POST1 ！进入后处理器 SET，...

ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！将总应变存入ETABLE

ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！选择所有总应变大于或等于0.20的单元 FINISH

/SOLU ！重新进去求解器 ANTYPE,,REST ！重复以前的静态分析