隧道结构受力分析

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1、实例1隧道结构受力分析1．问题描述选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。主要参数如下：⑴隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；⑵采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；⑶隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道；⑷隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。图3-3隧道支护结构断面图隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-4。表3-4C30钢筋混凝土的物理力学指标名称容重（KN/m3）弹性抗

2、力系数K（MPa/m）弹性模量E（GPa）泊松比内摩擦角（。）凝聚力C（MPa）IV级围岩223001.50.32290.35C30钢筋混凝土25-300.2542.42表3-5载荷计算表载荷种类围岩压力结构自重水压（N/m3）垂直均布力（N/m3）水平均布力（N/m3）值8022516045通过ANSYS添加200000根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表3-5。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围

3、内的分布载荷的总和。自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。2.求解步骤第一步：定义工作文件名和工作标题⑴进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单UtilityMenu：File→ChangeJobname，出现ChangeJobname对话框。在【/FILNAM】EnternewJobname输入框中输入工作名称Support，单击OK按钮关闭该对话框。⑵选择菜单UtilityMenu：File→C

4、hangeTitle命令，出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入TunnelSupportStructuralAnalysis，单击OK按钮关闭该对话框。第二步：定义单元类型选择菜单MainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete命令，出现ElementTypes对话框，单击Add按钮，出现LibraryofElementTypes对话框。在左侧滚动栏中选择StructuralBeam，在右侧滚动栏中选择2Delestic3，单击Apply按钮，定义Be

5、am3单元，如图2所示。再在左侧滚动栏中选取Combination选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper14，单击OK按钮，定义Combin14单元，最后单击Close按钮关闭对话框。图2单元类型库对话框第三步：定义单元实常数⑴选择菜单MainMenu：Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete命令，出现RealContants对话框，单击Add按钮，出现ElementTypeforRealContants对话框，单击OK按钮，选择TYPE1BEAM3，单击O

6、K按钮，最后在弹出的RealConstantforBEAM3对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.65、惯性矩IZZ：0.022885417、高度HEIGHT：0.65，如图3所示。图3定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框⑵单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE1BEAM3，单击OK按钮，在打开的对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.85、惯性矩IZZ：0.05117833、高度HEI

7、GHT：0.85，如图4所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同，所以要建立两个BEAM3实常数。图4定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框⑶单击OK按钮，在打开的对话框中单击Add按钮，在弹出的对话框中选择TYPE2Combin14，单击OK按钮，打开如图5所示的RealConstantsSetNumbere3forCOMBIN14对话框，然后在Springconstant栏后输入30000000，单击OK按钮，单击Close按钮关闭对话框。图5COMBIN14实常数对话框第四步：定义材料属性

8、⑴选择菜单MainMenu：Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels命令，出现DefineMaterialBehavior对话框。⑵在MaterialModelsAvailable一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现LinearIsotropicPropertiesforM