隧道内力及可靠度分析操作流程手册.docx
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隧道内力及可靠度分析操作流程手册
隧道结构内力及可靠性分析
操作流程手册
第一章隧道结构内力分析
Ansys菜单操作
本例以标准图1202普货-200双线Ⅳ级围岩无砟隧道为例。
本隧道为二衬为c35混凝土,混凝土弹性模量为32E10,泊松比为,Ⅳ级围岩弹性反力系数为350e6,计算按照深埋求得竖向及水平荷载。
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→ChangeTitle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Beam3单元,如图1-1所示。
最后单击Close按钮关闭对话框。
第三步:
定义单元实常数
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OK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:
、惯性矩IZZ:
、高度HEIGHT:
,如图1-2所示。
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:
、惯性矩IZZ:
、高度HEIGHT:
,如图1-3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,所以要建立多个BEAM3实常数。
按相同步骤添加其他几个。
第四步:
定义材料属性
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LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框,在EX对话框中输入,在PRXY输入栏中输入,如图1-4所示,单击OK按钮关闭该对话框。
⑶单击Structural、Density选项,在弹出的DensityforMaterialNumbere1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500,如图1-5所示。
单击OK按钮,选择Material→Exit,退出材料定义对话框。
第五步:
建立模型和划分网格
(1)创建隧道衬砌支护关键点
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS命令,出现CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框,输入关键点1。
最后单击OK按钮,生成82个关键点。
(2)创建隧道衬砌支护线模型
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→straightline命令,然后依次选中1,2两点,再依次选中2,3两点,直到82,1两点,单击OK按钮。
得出二衬的中心线如图1-6所示。
(3)保存几何模型文件
选择菜单UtilityMenu:
File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名,单击OK按钮。
(4)为线赋予特性
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→Meshing→MeshTool命令,打开MeshTool对话框,在ElementAttribute后面的下拉菜单选择Lines,单击Set按钮,打开LineAttribute线拾取框,选中Min,Max,Inc,在输入栏中输入17,66,如图1-7,单击OK按钮,打开LineAttributes对话框,在Materialnumber后面的下拉菜单中选择1,在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择1,在Elementtypenumber后面的下拉菜单中选择1BEAM3,如图1-8所示。
单击Apply按钮再次打开线拾取框。
同样的方法为1,11赋予属性,其他同前,只是在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择7,单击OK按钮退出。
然后在lineattribute里选择listofitems,在输入栏中输入16,67,如图1-9,单击OK按钮,打开LineAttributes对话框,在Materialnumber后面的下拉菜单中选择1,在RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中选择2,在Elementtypenumber后面的下拉菜单中选择1BEAM3,单击apply继续为15,68;14,69;13,70;12,71;RealConstantsetnumber后面的下拉菜单中依次选择3,4,5,6,单击OK退出。
(5)控制线尺寸
在MeshTool对话框中SizeControls下面选择栏中的Lines右边单击Set按钮,在打开的对话框中选择pickAll。
单击拾取框上的OK按钮,打开ElementSizesonpickedLines对话框,如图1-10所示。
在elementdivisions栏后面输入1,再单击OK按钮。
⑹划分网格
在网格划分工具栏中单击Mesh按钮,打开一个对话框,单击PickAll按钮,生成82个梁单元,如图1-11所示。
⑺创建弹簧单元
加竖向弹簧,执行mainmenu>preprocessor>Modeling>Create>PipingModels>SpringSupport命令,弹出选取对话框,选中将为之施加弹簧支撑的节点1后单击Apply按钮,弹出DefineSpringSupport对话框,如图1-12所示。
NLOC项已自动给出,再依次输入弹簧类型TYPE为translational(平移),由公式K=kbh,厚度b为1,弹性系数为K*abs(nx
(1)-nx(82)),即*abs()=,偏移量为Y轴负方向偏移,单击apply,再依次为最大跨度1-22点,62-88点依次加竖向弹簧。
加水平弹簧时偏移量为X方向偏移,右侧为0.5,左侧为。
如图1-13所示,弹性系数公式为*abs(ny(i+1)-ny(i-1))/2。
水平弹簧加到上方呈90°~120°,这里左侧加至39点,右侧加至45点,再根据判断去掉多余弹簧,由于此处数据量较大,建议用命令流添加。
添加弹簧后的图像如图1-14。
!
!
!
!
!
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第六步:
施加约束和载荷
1给弹簧单元施加约束----该步骤可以省略不考虑,应对另外一种情况加上这一条
选择菜单MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement
→OnNodes命令,打开在节点上施加位移约束对话框,点选单元最外层节点共所有节点,单击OK按钮,打开ApplyU,ROTonNodes对话框,如图1-15所示。
在DOFstubeconstrained栏后面选取UX,UY,接着在Applyas栏后面的下拉菜单中选取Constantvalue选项,并在Displacementvalue栏后面输入0值,然后单击OK按钮,完成对弹簧节点位移的约束。
另外给最低点1点施加水平方向约束。
1施加重力加速度
选择菜单MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令,打开Apply(Gravitational)Acceleration对话框,如图1-16所示。
在GlobalCartesianY-comp栏后面输入重力加速度值,单击OK按钮,完成重力加速度的施加。
2对隧道衬砌支护施加围岩压力
首先选择菜单MainMenu:
Solution→DefineLoads→setting→Replacevsadd→forces弹出replace/AddSettingforForces对话框,在DOFSEL中选择FX,FY,FCUM栏中选择Addtoexisting,使施加的荷载可以叠加而不是替换。
选择菜单MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes命令,打开节点位置施加载荷对话框,以41点为例,选择41点,打开打开ApplyF/MonNodes对话框。
在Directionofforce/mom栏后面的下拉菜单中选取FY,在Force/momentvalue栏中输入围岩垂直均布力。
再选择41点,添加FX方向力。
隧道本身是受竖向均布压力,如图1-17,在此将竖向均布荷载q置换为每个节点的节点荷载,节点荷载等于均布荷载的集度q乘上节点相邻梁单元水平投影的1/2,乘上结构再的计算宽度b,这里,b=1。
例如,第1点的节点荷载p为,
第2节点的节点荷载p2为:
同时点2所受的力为1杆的j端里和2杆的i端力,两者相叠加。
即加两次荷载
同样方法依次给其余点加载。
加载后如图1-18所示
此处可用命令流简便操作。
第七步:
求解计算
选择菜单MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,如图1-19所示,检查信息无误后,单击OK按钮,开始求解计算,求解结束后,弹出Solutionisdone提示栏,单击Close按钮关闭提示栏。
第八步:
后处理(对计算结果进行分析)
⑴计算分析修改模型
1)查看隧道衬砌支护结构变形图
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,如图1-20所示,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现隧道衬砌支护结构变形图,如图1-21所示。
由上图可知有些弹簧为受拉弹簧,这意味着该处土体受拉,这显然不符合常理,需要去除弹簧并重新计算,直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。
确定受拉弹簧范围:
执行MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令,定义结果显示列表,在Lab栏中输入列表名NI,在下面对话框选择Bysequencenum,右下侧输入SMISC,1,单击OK。
再执行MainMenu→GeneralPostproc→ElementTable→ListElemtable,在弹出的对话框里选择NI,则弹出如图1-22所示的显示各单元轴力的对话框。
从显示列表可以判断119,120,123,124号弹簧受拉(正值表示受拉,负值表示受压)。
2)删除受拉弹簧单元
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Delete→Elements命令,打开一个删除单元选取对话框,在输入栏中输入119,120,123,124,单击OK按钮。
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Delete→Nodes命令,打开一个删除节点选取对话框,在输入栏中输入119,120,123,124,单击OK按钮。
再重新计算。
3)第二次求解
选择菜单MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLS命令,打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框,接受默认设置,单击OK按钮,开始求解计算,直到出现一个Solutionisdone提示栏,单击Close按钮关闭提示栏。
4)查看第二次分析计算结构变形图
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。
经过多次计算,逐步去除受拉弹簧,最终使所有保留下的弹簧都处于受压状态,从而确定被动抗力的分布范围,即确定最终的计算模型。
其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图1-23所示。
5)保存计算结果
选择菜单UtilityMenu:
File→Saveas命令,打开SaveDatabase对话框,在SaveDatabaseto下面的输入栏中输入文件名,单击OK按钮。
⑵画出主要图形
1)绘制结构变形图
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape命令,弹出PlotDeformedShape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,得到隧道结构变形图。
2)将节点弯矩、剪力、轴力制表
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable命令,打开一个ElementTableData对话框,如图1-24所示。
单击Add按钮,打开一个DefineAdditionalElementTableItems对话框,如图1-25所示。
在Userlabelforitem栏后面输入MI,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入6,然后单击Apply按钮;再次在Userlabelforitem栏后面输入MJ,在Item,CompResultsdataitem栏后面的左边下拉菜单中选取Bysequencenum,并在右栏输入12,然后
单击Apply按钮;使用同样的方法依次输入FI,1;FJ,7。
最后得到定义好后的单元数据表对话框,如图1-26所示。
3)设置弯矩分布标题
选择菜单UtilityMenu:
File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入BENDINGMOMENTdistribution,单击OK按钮关闭该对话框。
4)画结构弯矩图
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令,打开一个PlotLine-ElementResults对话框,如图1-27所示。
在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取MI,在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取MJ,在Optionalscalefactor后面栏中输入-1,在Itemstobeplottedon栏后面选择Deformedshape单选按钮,最后单击OK按钮,得到隧道衬砌支护结构的弯矩图,如图1-28所示。
5)设置轴力分布标题
选择菜单UtilityMenu:
File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框,在输入栏中输入ZHOULIforcedistribution,单击OK按钮关闭该对话框。
6)画结构轴力图
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→LineElementResults命令,打开一个PlotLine-ElementResults对话框。
在ElemtableitematnodeI栏后面的下拉菜单中选取FI,在ElemtableitematnodeJ栏后面的下拉菜单中选取FJ,在Optionalscalefactor后面栏中输入1,在Itemstobeplottedon栏后面选择Deformedshape单选按钮,最后单击OK按钮,得到隧道衬砌支护结构的轴力图,如图1-29所示。
⑶列出主要数据
1)列表显示单元的弯矩,剪力和轴力
选择菜单MainMenu:
GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData命令,打开一个ListElementTableData对话框,如图1-30所示。
在Itemstobelisted栏后面的下拉菜单中选择MI、MJ、FI、FJ选项,然后单击OK按钮,打开单元数据表文件,如图1-31所示。
(4)选择菜单UtilityMenu:
File→Exit命令,出现ExitfromANSYS对话框,选择Quite-NoSave!
选项,单击OK按钮,关闭ANSYS。
第二章隧道结构安全度检算
素混凝土的安全度检算
时,按抗压强度计算
()
时,按抗拉强度计算:
()
式中,k——安全系数;
——稳定系数,对衬砌结构取
=;
——荷载设计值产生的轴向力;
b——截面宽度(m);
h——截面高度(m);
——混凝土抗压极限强度,按铁隧规范取值,如表1;
——轴向力偏心距M/N;
——混凝土抗拉极限强度,按铁隧规范取值,如表1;
——轴向力偏心影响系数,按表2采用;
表1混凝土的极限强度(MPa)
强度种类
符号
混凝土强度等级
C15
C20
C25
C30
C40
C50
抗压
弯曲抗压
抗拉
表2偏心影响系数
注:
1表中
为轴向力偏心距。
2表中
钢筋混凝土
由式()求得x,
(1)当
时,为小偏心受压,
(2)当
时,为大偏心受压,
式中
——系数,C50以下级别混凝土均取
——见表1
——初始偏心距
——附加偏心距,其值取偏心方向截面尺寸的1/30和20mm中的较大者;
——钢筋抗拉极限强度,见表3;
表3钢筋的强度和弹性模量
钢筋种类
屈服强度
(MPa)
抗拉极限强度(MPa)
抗拉或抗压计算强度(MPa)
弹性模量
(GPa)
延伸率(%)
HPB235(Q235)
240
380
260
210
25
HRB335(20MnSi)
340
520
360
200
16
省略命令流!
!
!
第三章隧道结构内力随机性分析
作用效率变异性分析
本例以标准图1202普货-200双线Ⅳ级围岩无砟隧道为例。
本隧道为二衬为c35混凝土,混凝土弹性模量为32E10,泊松比为,Ⅳ级围岩弹性反力系数为350e6,计算按照深埋求得竖向及水平荷载。
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→ChangeTitle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。
(3)首先选择主菜单parameters>angularunits,在AFUN一栏选择DegreesDEG,使ansys可以辨认角度。
第二步:
定义变量级单元类型
不同于安全度检算,可靠度分析牵涉到变异系数的存在,所以所选的随机变量具有其自己的变异性,这里,首先定义需要用到的变量:
选择主菜单parameters>scalarparameters,弹出scalarparameters选项如图3-1,在selection一栏输入要定义的变量weiyanzhongdu=(Ⅳ级围岩围岩重度),单击accept,然后依次输入,k=3e8,E=,houdu1=,houdu2=,houdu3=,houdu4=,houdu5=,houdu6=,houdu7=,然后是侧压力系数ceyalixishu=,下面定义公式,本隧道为深埋隧道,计算方法参照规范深埋隧道计算方法如下:
垂直匀布压力为:
()
()
式中:
——围岩垂直匀布压力;
——围岩容重;
——围岩压力计算高度;
——围岩级别
——宽度影响系数,
;
——坑道宽度;
——
每增减1m时的围岩压力增减率,当
<5m时,取
;当
>5m时,取
接着继续定义参数,s=4,b=,w=1+*(b-5),hq=*w*2**(s-1),竖向压力shuxiang=weiyanzhongdu*hq*,水平压力shuiping=shuxiang*ceyalixishu*,uxishu=k,vxishu=k。
定义后图3-2所示,
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Beam3单元,如图3-3所示。
最后单击Close按钮关闭对话框。
第三步:
定义单元实常数
选择菜单MainMenu:
Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete命令,出现RealContants对话框,单击Ad
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