隧道内力及可靠度分析操作流程手册.docx
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1、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734.1.3小偏心下计算可靠度指标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 Ansy
2、s菜单操作本例以标准图1202普货-200双线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,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 进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后,选择菜单Utility Menu:FileChange 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。 选择菜单Utility Menu:FileChange Title命令,出现Ch
3、ange 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:PreprocessorElement TypeAdd/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
4、: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:PreprocessorReal ConstantsAdd/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-
5、3定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框 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 选择菜单Main Menu:PreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令,出现Define
6、Material Behavior对话框。 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 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
7、示。单击OK按钮,选择MaterialExit,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:PreprocessorModelingCreateKeypointsIn 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:PreprocessorModelingCreateLinesLinesstraight lin
8、e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:FileSave 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:PreprocessorMeshingMesh 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
9、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li
10、st 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 Co
11、ntrols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。 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。 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 menupreprocessorModelingCreatePiping ModelsSpring
12、 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
13、3.5e8*abs(ny(i+1)-ny(i-1)/2。水平弹簧加到上方呈90120,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Main Menu:SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn 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Appl
14、y 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。1 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:SolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravity命令,打开Apply(Gravitational)Accelera
15、tion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。2 对隧道衬砌支护施加围岩压力首先选择菜单Main Menu:SolutionDefine LoadssettingReplace vs addforces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:SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/M
16、omentOn 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:图1-17施加荷载图解同时
17、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。图1-18加载后的模型第七步:求解计算图1-19求解选择菜单Main Menu:SolutionSolveCurrent LS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Solution is done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) 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Main Menu:General Postp
18、rocPlot ResultsDeformed Shape命令,弹出Plot Deformed Shape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。图1-21初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图图1-20查看变形图对话框 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Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table命令,定义结果显示列表,在Lab栏中输入列表名N
19、I,在下面对话框选择By sequence num,右下侧输入SMISC,1,单击OK。再执行Main MenuGeneral PostprocElement TableList Elem table,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。图1-22 轴力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Main Menu:PreprocessorModelingDeleteElements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
20、Main Menu:PreprocessorModelingDeleteNodes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Main Menu:SolutionSolveCurrent LS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Solution is done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Main Menu:General PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令,
21、弹出Plot Deformed Shape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。图1-23最终隧道结构变形图5)保存计算结果选择菜单Utility Menu:FileSave 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-result.db,单击OK按钮。 画出主要图形1)绘制结构变
22、形图选择菜单Main Menu:General PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令,弹出Plot Deformed Shape对话框,选中Def+underformed,单击OK按钮,得到隧道结构变形图。 图1-24单元数据制表对话框2)将节点弯矩、剪力、轴力制表选择菜单Main Menu:General PostprocElement TableDefine Table命令,打开一个Element Table Data对话框,如图1-24所示。单击Add按钮,打开一个Define Additional Element Table Items对话框,如图1
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