第4章教案ANSYS隧道工程应用实例分析.docx
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第4章教案ANSYS隧道工程应用实例分析
第4章ANSYS隧道工程中的应用实例分析
本章重点
隧道工程概述
隧道施工ANSYS模拟的实现
ANSYS隧道结构实例分析
ANSYS隧道开挖模拟实例分析
本章典型效果图
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，车辆荷载直接传给地层。
表4-2隧道荷载
荷载分类
荷载名称
说明
永久荷载
结构自重
恒载
主
要
载
荷
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
活载
车辆荷载引起的土压力
冲击力
公路活载
附加荷载
冻胀力
灌浆力
温差应力
施工荷载
偶然荷载
落石冲击力
附加荷载
地震力
特殊荷载
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。
表3-1ANSYS中具有生死功能的单元
LINK1
BEAM24
SHELL57
PLANE83
SURF152
SOLID185
PLANE2
PLANE25
PIPE59
SOLID87
SURF153
SOLID186
BEAM3
MATRIX27
PIPE60
SOLID90
SURF154
SOLID187
BEAM4
LINK31
SOLID62
SOLID92
SHELL157
BEAM188
SOLID5
LINK32
SHELL63
SHELL93
TARGE169
BEAM189
LINK8
LINK33
SOLID64
SOLID95
TARGE170
SOLSH190
LINK10
LINK34
SOLID65
SOLID96
CONTA171
FOLLW201
LINK11
PLANE35
PLANE67
SOLID97
CONTA172
SHELL208
PLANE13
SHELL41
LINK68
SOLID98
CONTA173
SHELL209
COMBIN14
PLANE42
SOLID69
PLANE121
CONTA174
PLANE230
PIPE16
SHELL43
SOLID70
SOLID122
CONTA175
SOLID231
PIPE17
BEAM44
MASS71
SOLID123
CONTA176
SOLID232
PIPE18
SOLID45
PLANE75
SHELL131
LINK180
MASS21
BEAM54
PLANE78
SHELL143
PLANE182
BEAM23
PLANE55
PLANE82
SURF151
PLANE183
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：
MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
用下列方法来选择关键单元：
命令方式：
ESEL
GUI方式：
UtilityMenu>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
EKILL,ALL！
杀死所选择（超过允许值）的单元
ESEL,ALL！
选择所有单元
...！
继续求解
4.2.1.5单元生死使用提示
下列提示有助于用户更好地利用ANSYS的单元生死功能进行分析：
（1）不活动自由度上不能施加约束方程（CE，CEINTF）。
当节点不与活动单元相连时，不活动自由度就会出现。
（2）可以通过先杀死单元，然后再激活单元来模拟应力松弛（如退火）。
（3）在进行非线性分析时，注意不要因杀死或激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角）或刚度突变，这样会使收敛困难。
（4）如果模型是完全线性的，也就是说除了生死单元，模型不存在接触单元或其它非线性单元且材料是线性的，则ANSYS就采用线性分析，因此不会采用ANSYS默认（SOLCONTROL，ON）非线性求解器。
（5）在进行包含单元生死的分析中，打开全牛顿-拉夫森选项的自适应下降选项将产生很好的效果。
用下列方法来完成此操作：
命令方式：
NROPT，FULL，ON
GUI方式：
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
（6）可以通过一个参数值来指示单元的生死状态。
下面命令能得到活单元的相关参数值：
*GET，PAR，ELEM，n，ATTR，LIVE
该参数值可以用于APDL逻辑分支（*IF）或其它用户需要控制单元生死状态的场合。
（7）用荷载步文件求解法（LSWRITE）进行多荷载步求解时不能使用生死功能，因为生死单元状态不会写进到荷载步文件。
多荷载步生死单元分析必须采用一系列SOLVE命令来实现。
此外，用户可以通过MPCHG命令来改变材料特性来杀死或激活单元。
但这个过程要特别小心。
软件保护和限制使得杀死的单元在求解器中改变材料特性时将不生效（单元的集中力、应变、质量和比热等都不会自动变为0）。
不当的使用MPCHG命令可能会导致许多问题。
例如，如果把一个单元的刚度减小到接近0，但仍保留质量，则在有加速度或惯性效应时就会产生奇异性。
MPCHG命令的应用之一：
模拟系列施工中使“出生”单元的应变历程保持不变。
这时用MPCHG命令可以得到单元在变形的节点构造初始应变。
4.2.2DP材料模型
岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，这类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的VonMise屈服准则不适合此类材料。
在土力学中，常用的屈服准则有Mohr-Coulomb，另外一个更准确描述此类材料的强度准则是Druck-Prager屈服准则，使用Druck-Prager屈服准则的材料简称为DP材料。
在岩石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可以得到较精确的结果。
在ANSYS程序中，就采用Druck-Prager屈服准则，此屈服准则是对Mohr-Coulomb准则给予近似，以此来修正VonMise屈服准则，即在VonMises表达式中包含一个附加项，该附加项是考虑到静水压力可以引起岩土屈服而加入的。
其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想塑性。
并且，它考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。
DP材料模型含有3个力学参数：
◆粘聚力C
◆内摩擦角
◆膨胀角
这3个参数可通过ANSYS中材料数据表输入：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels
执行完上面操作，弹出一个材料模型对话框，再执行：
MaterialModelsAvailable>Strunturer>Nonlinear>Inelastic>Non-metalPlasticity>Drucker-Prager
接着在出现的对话框输入这3个参数便可。
3.2.3初始地应力的模拟
在模拟隧道施工过程中，初始地应力模拟是很重要的。
在ANSYS中，可以有两种方法实现初始地应力的模拟。
方法一是只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。
这种方法简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。
缺点是计算出来的应力场与实际应力场有偏差，并且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析的后续施工时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧道的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，必须减去初始位移场。
方法二是采用读起初始应力文件的方法。
在进行结构分析时，ANSYS中可以使用读入初始应力文件来把初始应力定义为一种荷载。
因此，当具有实测初始地应力资料时，可将初始地应力写成初始营利荷载文件，然后作为荷载条件读入ANSYS，随后就可以直接进行第一步的开挖计算。
计算得到的应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，不需要进行加减。
3.2.4开挖与支护及连续施工的实现
根据4.2.1所介绍单元生死可以实现材料的消除与添加，而隧道的开挖与支护正好比材料的消除与支护，因此可以在ANSYS中用单元生死来实现隧道开挖与支护的模拟。
隧道开挖时，先直接选择被开挖掉的单元，然后将这些单元杀死，从而实现隧道的开挖模拟。
进行隧道支护时，先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活后，具有零应变状态，并且把这些单元的材料属性改为支护材料的属性，这样就实现了隧道支护的模拟。
此外，单元的生死状态还可以根据ANSYS的计算结果（如应力或应变）来决定。
例如，在模拟过程中，用户可以将超过允许应力或允许应变的单元杀死，模拟围岩或结构的破坏。
利用ANSYS程序中的荷载步功能可以实现不同工况间的连续计算，从而实现对隧道连续施工的模拟。
具体可参照4.2.1.3单元生死使用。
首先建立开挖隧道的有限元模型，包括将来要被杀死（挖掉）和激活（支护）的部分，在ANSYS模拟工程不需要重新划分网格。
在前一个施工完成后，便可以直接进行下一道工序的施工，即再杀死单元（开挖）和激活单元（支护），再求解，重复步骤直至施工结束。
4.3ANSYS隧道结构受力实例分析
4.4.1ANSTS隧道结构受力分析步骤
为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。
由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不同的，隧道结构的变形受到周围岩土体本身的约束，从某种意义上讲，围岩也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分，因此不能完全采用地面结构受力分析方法来对隧道结构进行分析。
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，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。
再借助有限元软件（如ANSYS）实现对隧道结构的受力分析。
ANSYS隧道结构受力分析步骤：
1．荷载—结构模型的建立
2．创建物理环境
3．建立模型和划分网格
4．施加约束和荷载
5．求解
6．后处理（对结果进行分析）
4.4.1.1荷载—结构模型的建立
本步骤不在ANSYS中进行，但该步骤是进行ANSYS隧道结构受力分析前提。
只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地阻止周围岩体变形而产生松动压力，隧道的支护结构就应该按荷载—结构模型进行验算。
隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现的。
本步骤主要包含2项内容：
◆选择荷载—结构模型
◆计算荷载
1．选择荷载—结构模型
荷载—结构模型虽然都是以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，但对围岩与支护结构相互作用的处理上，大致有三种做法：
（1）主动荷载模型
此模型不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。
此模型主要适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌变形情况，如采用明挖法施工的城市地铁工程及明洞工程。
（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型
此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还会对支护结构施加约束反力。
因为在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就会对支护结构产生反作用力来约束它的变形，这种反作用力称为弹性抗力。
而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓“脱离区”。
这种模型适用于各种类型的围岩，只是所产生的弹性抗力不同而已。
该模式广泛地应用于我国铁路隧道，基于这种模式修建了好几千公里的铁路隧道，并且在实际使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力状况。
（3）实际荷载模型
这种模型采用量测仪器实地量测到的作用在衬砌上的荷载值代替主动荷载模型中的主动荷载。
实地量测的荷载值包含围岩的主动压力和弹性抗力，是围岩与支护结构相互作用的综合反映。
切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而改善结构的受力情况。
但要注意的是，实际量测的荷载值，除与围岩特性有关外，还取决与支护结构刚度及支护结构背后回填的质量。
2．计算荷载
目前隧道结构设计一般采用主动荷载加被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动荷载和被动荷载，可见表2-2。
进行ANSYS隧道结构受力分析时，一般要进行计算以下几种隧道荷载：
（1）围岩压力
围岩压力是隧道最主要的荷载，主要根据相关隧道设计规范进行计算。
对于铁路隧道，可以根据〈〈铁路隧道设计规范〉〉进行计算。
（2）支护结构自重
支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。
（3）地下水压力
在含水地层中，静水压力可按照最低水位考虑。
（4）被动荷载
被动荷载即围岩的弹性抗力，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，用公式表示为：
（3-14）
式中：
——围岩表面上任意一点的压缩变形，单位——m；
◆
——围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位——Mpa；
◆
——围岩弹性抗力系数，单位——Mpa/m。
◆对于列车荷载、地震力等其它荷载，一般情况可以忽略不计算。
3.3.1.2创建物理环境
在定义隧道结构受力分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个隧道结构体的数学仿真模型。
按照以下几个步骤来建立物理环境：
1、设置GUT菜单过滤
如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：
MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图3-2所示的对话框出现后，选择Structural。
这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行隧道结构受力分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。
2、定义分析标题（／TITLE）
在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“TunnelSupportStructuralAnalysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。
用下列方法定义分析标题。
命令：
／TITLE
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeTitle
3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）
与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。
ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。
例如，隧道衬砌用beam3梁单元来模拟，用COMBIN14弹簧单元模拟围岩与结构的相互作用性，这两个单元组合起来就可以模拟隧道结构。
大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。
例如，梁单元beam3有如下KEYOPTS：
KEYOPT（6）力和力矩输出设置
KEYOPT（9）设置输出节点I与J之间点结果
KEYOPT（10）设置SFNEAM命令施加线性变化的表面载荷
COMBIN14弹簧单元有如下KEYOPTS：
KEYOPT
（1）设置解类型
KEYOPT
（2）设置1-D自由度
KEYOPT（3）设置2-D或3-D自由度
设置单元以及其关键选项的方式如下：
命令：
ET
KEYOPT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
图3-2GUI图形界面过滤
4、设置实常数和定义单位
单元实常数和单元类型密切相关，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相应GUI菜单路径来说明。
在隧道结构受力分析中，你可用实常数来定义衬砌梁单元的横截面积、惯性矩和高度以及围岩弹性抗力系数等。
当定义实常数时，要遵守如下二个规则：
Ø必须按次序输入实常数。
Ø对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的REAL参考号）。
但是，一个单元类型也可注明几个实常数组。
命令：
R
GUI：
MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete
ANSYS软件没有为系统指定单位，分析时只需按照统一的单位制进行定义材料属性、几何尺寸、载荷大小等输入数据即可。
结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式。
如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kg•m/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/m•s2（相当于帕Pa）。
命令：
/UNITS
5、定义材料属性
大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定义各种材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。
ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种：
（1）线性或非线性。
（2）各向同性、正交异性或非弹性。
（3）随温度变化或不随温度变化。
隧道结构受力分析中需要定义隧道混凝土衬砌支护的材料属性：
容重、弹性模量
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