隧道结构内力及可靠性分析操作流程手册.doc

隧道结构内力及可靠性分析操作流程手册目录第一章 隧道结构内力分析 31.1 Ansys菜单操作 31.2 Ansys命令流操作及讲解 23第二章 隧道结构安全度检算 282.1素混凝土的安全度检算 282.2钢筋混凝土 30第三章 隧道结构内力随机性分析 313.1作用效率变异性分析 313.2命令流及解释 55第四章 隧道结构可靠性分析 704.1 钢筋混凝土功能函数如下： 704.1.1钢筋混凝土判断大小偏心命令流 714.1.2 大偏心下计算可靠度指标β 734.1.3小偏心下计算可靠度指标β 764.2 素混凝土的功能函数 794.2.1 破坏类型判断 814.2.2 抗压破坏 81第一章 隧道结构内力分析1.1 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0.2，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Utility Menu：File→Change Jobname，出现Change Jobname对话框。

在【/FILNAM】Enter new Jobname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Utility Menu：File→Change Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK按钮关闭该对话框第二步：定义单元类型图1-1 单元类型库对话框选择菜单Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框在左侧滚动栏中选择Structural Beam，在右侧滚动栏中选择2D elestic 3，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：定义单元实常数图1-2定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框 选择菜单Main Menu：Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，出现Real Contants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Contants对话框，单击OK按钮，选择TYPE 1 BEAM3，单击OK按钮，最后在弹出的Real Constant for BEAM3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：0.45、惯性矩IZZ：0.00759375、高度HEIGHT：0.45，如图1-2所示。

图1-3定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2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TYPE 1 BEAM3，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：0.4457、惯性矩IZZ：0.007378136、高度HEIGHT：0.4457，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Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models命令，出现Define Material Behavior对话框⑵ 在Material Models Available一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，在EX对话框中输入3.2e10，在PRXY输入栏中输入0.2，如图1-4所示，单击OK按钮关闭该对话框。

图1-4线弹性材料模型对话框⑶ 单击Structural、Density选项，在弹出的Density for Material Numbere 1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Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS命令，出现Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，输入关键点1最后单击OK按钮，生成82个关键点图1-5材料密度输入对话框(2)创建隧道衬砌支护线模型图1-6隧道二衬中心线选择菜单Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→straight line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Utility Menu：File→Save as命令，打开Save Database对话框，在Save Database to下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db，单击OK按钮。

4)为线赋予特性图1-7选择线条图1-8赋予属性选择菜单Main Menu：Preprocessor→Meshing→Mesh Tool命令，打开Mesh Tool对话框，在Element Attribute后面的下拉菜单选择Lines，单击Set按钮，打开Line Attribute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Line Attributes对话框，在Material number后面的下拉菜单中选择1，在Real Constant set number后面的下拉菜单中选择1，在Element type number后面的下拉菜单中选择1 BEAM3，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Real Constant set number后面的下拉菜单中选择7，单击OK按钮退出然后在line attribute 里选择list of items，在输入栏中输入16，67，如图1-9，单击OK按钮，打开Line Attributes对话框，在Material number后面的下拉菜单中选择1，在Real Constant set number后面的下拉菜单中选择2，在Element type number后面的下拉菜单中选择1 BEAM3，单击apply继续为15，68；14，69；13，70；12，71；Real Constant set number后面的下拉菜单中依次选择3，4，5，6，单击OK退出。

图1-9选择线条(5) 控制线尺寸图1-10线单元尺寸划分对话框在Mesh Tool对话框中Size Controls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pick All单击拾取框上的OK按钮，打开Element Sizes on picked Lines对话框，如图1-10所示在No.of element divisions栏后面输入1，再单击OK按钮⑹ 划分网格图1-11二衬中心线节点图在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，打开一个对话框，单击Pick All按钮，生成82个梁单元，如图1-11所示⑺ 创建弹簧单元图1-12定义弹簧单元对话框加竖向弹簧，执行main menu>preprocessor>Modeling>Create>Piping Models>Spring Support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Define Spring Support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3.5e8*abs（0-0.451940422）=158179147.7，偏移量为Y轴负方向偏移0.5，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-0.5如图1-13所示，弹性系数公式为3.5e8*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，建议用命令流添加图1-13弹性系数原理添加弹簧后的图像如图1-14图1-14添加弹簧单元后的单元网格图第六步：施加约束和载荷⑴ 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Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Nodes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Apply U，ROT on Nodes对话框，如图1-15所示在DOFs tu be constrained栏后面选取UX，UY，接着在Apply as栏后面的下拉菜单中选取Constant value选项，并在Displacement value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。

图1-15横向竖向约束另外给最低点1点施加水平方向约束⑴ 施加重力加速度图1-16施加重力加速度对话框选择菜单Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity命令，打开Apply（Gravitational）Acceleration对话框，如图1-16所示在Global Cartesian Y-comp栏后面输入重力加速度值9.8，单击OK按钮，完成重力加速度的施加⑵ 对隧道衬砌支护施加围岩压力首先选择菜单Main Menu：Solution→Define Loads→setting→Replace vs add→forces弹出replace/Add Setting for Forces对话框，在DOFSEL中选择FX,FY，FCUM栏中选择Add to existing，使施加的荷载可以叠加而不是替换选择菜单Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→Force/Moment→On Nodes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Apply F/M on Nodes对话框。

在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY，在Force/moment value栏中输入围岩垂直均布力-34876.1再选择41点，添加FX方向力548.96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。