第4章教案-ansys隧道工程应用实例分析

第4章教案-ansys隧道工程应用实例分析内容摘要：

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。 DP 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 MohrCoulomb，另外一个更准确描述此类材料的强度准则是 DruckPrager 屈服第 4 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 准则 ，使用 DruckPrager 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 DruckPrager 屈服准则，此屈服准则 是 对 MohrCoulomb 准则给予近似，以此来修正 Vo nMise 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 f? 这 3 个参数 可 通过 ANSYS 中材料数据表输入 ： Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 执行 完上面操作，弹出一个材料模型对话框，再执行： Material Models AvailableStrunturerNonlinearInelasticNonmetal PlasticityDruckerPrager 接着在出现的对话框输入这 3 个参数便可。 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。 第 4 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 开挖与支护 及连续施工 的实现 根据 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 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。 ANSYS 隧道结构受力 实例 分析 ANSTS 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） 第 4 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 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。