ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用2

水工与施工西北水电·2004年·第1期文章编号:1006—2610(2004)01—0015—0315ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用石广斌(国家电力公司西北勘测设计研究院,西安710065)关键词:局部变形理论;隧道衬砌;ANSYS;稳定分析;边值法摘要:根据局部变形理论,把隧道衬砌简化成合理的计算力学模型,在ANSYS数值模拟环境中,按边值法的分析思路,对其进行结构分析。该数值分析结果已得到了边值法验证,是可行的。中图分类号:TV672.1文献标识码:BApplicationofANSYSinstructuralanalysisoftunnelliningSHIGuang-bin(ChinaHydroNorthwestInvestigation,Design&ResearchInstitute,Xi'an710065,China)KeyWords:localdeformationtheory;tunnellining;ANSYS;stabilityanalysis;methodofboundAbstract:Followingthelocaldeformationtheory,tunnelliningissimplifiedtoareasonablecomputationalmechanicsmodel.IntheenvironmentofANASYSdigitalmodelling,itsstructuralanalysisiscarriedoutinlinewiththeconceptofmethodofbound.Theresultsofdigitalanalysishavebeenverifiedbythemethodofboundandarepractical.目前,用于水工、铁路、公路、矿山隧洞以及城市地下空间结构等衬砌的内力计算方法大致可以分为3大类:第一类是,基于地层压力理论的荷载结构法;第二类是,基于地层应力理论的地层结构法;第三类是,基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的收敛限制法。2类方法,由于存在较多的随机因素后和对操作人员要求较高等原因,一般很少被工程设计人员所采用,而第一类方法,计算参数内涵简单而明了,所涉及的不确定因素相对较少,常常易被设计人员所接受;事实上,在工程中应用最多最普遍的方法也是第一类荷载结构法。过去分析衬砌的结构常用规范推荐的结构力学法,其实随着有限元计算方法和技术的提高,某些方法的分析思路可以在数值模拟环境中实现,如规范中的边值法就可行。下面就阐述该过程及其在某穿山隧道衬砌结构分析中的应用[1][2][3]。[3]1数值模拟方案根据局部变形理论,隧道的衬砌结构强度分析可以简化为图1所示的内力计算力学模型。该力学模型可以在西北勘测设计研究院引进的大型有限元程序ANSYS上实现平面和三维内力或应力计算。若用平面有限元计算,可以用ANSYS单元库里的梁单元BEAM3或平面实体单元PLAN2和PLAN42来模拟衬砌;若用三维有限元计算,可以用ANSYS单元库里的壳单元SHELL63或SHELL93来模拟衬砌,也可用三维实体单元SOLID45等来模拟衬砌。如果用实体单元PLAN2或SOLID45等来模拟衬砌,配筋时可按应力法配筋,也可把应力转化为内力,再用内力配筋。文章只介绍用梁单元计算衬砌内力结果。图1力学模型中的弹性支座施加的位置是依据隧洞轮廓变形趋势。通常方法是在拱座附近和直墙段加若干个弹性支座,并且设法保证所施加的弹性支座始终处于受压收稿日期:2003-06-29作者简介:石广斌(1968—),男,安徽省和县人,工程硕士,工程师,现主要从事水工结构和岩土工程设计与计算方法研究.状态(即不考虑衬砌与围岩壁的粘结力),而不能处于受拉状态,从而实现围岩只贡献弹性抗力的功能。根据笔者经验,一般情况下,也即无内水压力的情况16石广斌.ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用力绝对差值为边值法计算值的2.58%,若边值法计算结果是“真解”那么如此小的计算误差是完全满,足工程要求的,即在数值模拟环境中可以按规范中边值法的解题方法实现衬砌结构的内力计算。表1内力计算结果对比表(ANSYS/边值法)内力弯矩/kN.m轴力/kN部位拱顶1200.41188.7160.9163.9拱腰1480.01513.8200.2205.5直墙1311.61324.8196.9199.0下,只在拱角处施加一个弹性支座或弹性约束即可满足内力计算精度要求。3衬砌内力分析与配筋通过对图1的力学模型按水工隧洞设计规范,进行运行期与施工期2种工况计算分析得出,施工期是顶拱衬砌稳定控制工况,其中拱腰(位于拱座与拱顶之间)弯矩最大值达215kN・m,轴力达3326.5kN;运行期是直墙衬砌稳定控制工况,弯矩图1衬砌内力计算力学模型最大值达196.9kN・m,轴力达1311.6kN。由应力分布图2和图3可以看出,顶拱段衬砌在施工期,最大拉应力为0.88MPa,在运行期,无拉应力出现;直墙段衬砌在运行期由于承受侧向围岩压力的作用而在内缘出现2.11MPa的拉应力,但在施工期,虽然弯矩比运行期弯矩大(见表2),但由于施工期拱顶的灌浆压力在直墙上产生较大的轴向压力,从而削弱了弯矩在衬砌内缘产生的拉应力。2计算结果验证为了验证图1力学模型在ANSYS数值模拟环境中计算内力的准确性,用文献[3]中的边值法对图1力学模型进行了对比计算。如某穿山隧道工程,隧道衬砌体形为:衬砌厚0.6m,直墙高4m,拱高h=3m,半跨a=6m;岩体为Ⅳ类围岩,岩体变形模量E=5GPa,泊松比L=0.3,单位弹性抗力系数K0=3GPa/m,岩体坚固系数f=4。作用在衬砌上的外力有结构自重、地层压力、灌浆压力、外水压力;图1中地层压力按普式山岩压力理论计算,具体计算公式如下:pV=Ch0E1=C2(45°U2)h0tg-/E2=Ch0+H)tg2(45°U2)(-/2(1)(2)(3)图2衬砌运行期环向应力分布灰度图(单位:10kPa)PH=C(2h0+H)tg(45°U2)/2(4)H-/h0=[a+Htg(45°U2)]/f-/(5)式中:PV为围岩垂直压力,kPa;C为围岩容重,kN/3m;h0为压力拱高,m;E1、2为上部和下部围岩水E平压力,kPa;U为岩体内摩擦角,(°;H为巷道掘进)高度,m;PH为围岩水平总侧压力,kN;a为隧洞半跨,m;f为岩石普氏坚固性系数。表1给出用ANSYS和边值法计算隧道运行期工况衬砌内力结果。由表1可以得出2种方法计算出的弯矩绝对差值,为边值法计算值的2.23%,轴图3衬砌施工期环向应力分布灰度图(单位:10kPa)ANSYS中可以给出梁单元和壳单元计算结构的内力分布和大小,但没有配筋计算功能。因此,用西北水电·2004年·第1期ANSYS计算出隧道衬砌结构在施工期和运行期等各工况下的内力,还必须把计算出的内力代入专用配筋计算后处理程序,根据内力的表现形态,依据文献[4]选择适合的配筋计算公式,即可计算出结构配筋面积。本工程衬砌内力及配筋结果如表2。表2内力及配筋计算结果表部位拱顶拱腰直墙计算工况施工期运行期施工期运行期施工期运行期配筋内力弯矩/kN.m169.5160.9215.0200.2184.7196.9轴力/kN3014.41200.43326.51480.02770.31311.6配筋面积/cm2139847021457481340143217元、平面实体单元、三维实体单元数值模拟技术,按边值法的分析思路,实现隧道衬砌内力或应力计算,其计算精度不仅可靠,而且过程简单明了,并且避免了用结构力学法计算时在拱座等处出现内力集中的缺点。用该方法还有一个优点,即可以清楚看出隧道衬砌变形和应力分布;但该方法也有不足之处,即需要操作者有丰富的有限元分析和模型效验的经验。参考文献:[1]孙均,侯学渊.地下结构工程[M].北京:科学技术出版社,1987.[2]徐干成,白洪才,郑颖人,等.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2002.[3]SD134-84,水工隧洞设计规范[S].[4]DL/T5057-1996,水工混凝土结构设计规范[S].4结语通过验证,可以用ANSYS中的梁单元、壳单(上接第3页)计算结果表明,尽管大型水库对个别年份的洪水影响较大,但对设计洪水计算成果影响并不明显。这主要是由于在设计计算时,P-Ⅲ型曲线的适线受1911、1898和1933年等未受人类活动影响的大水年控制,个别中小量级的洪水所受水库的影响,在长系列计算中基本可忽略不计。故可以认为,渭河流域大型水库对设计洪水计算成果影响不大。上地区的较大洪水,水库的影响较为明显,如渭河咸阳站1981年8月典型,其对洪水的削减作用可达10%～15%;而对洪水主要来源于非大型水库控制的地区,如渭河咸阳站1954年8月典型,其对洪水的削减作用仅为2%～4%。因此,受暴雨时空分布等不确定性因素影响,在设计条件下考虑水库的影响是具有一定风险的。5结论渭河流域人类活动目前已具有一定规模,根据对流域内水利水保工程的调查分析,其产汇关系无明显趋势性变化,只是个别年份的洪水由于主要来源于大型水库所控制的地区,受水库工程影响较为明显。从设计洪水的计算结果来看,采用实测洪水系列与还原后的天然洪水系列相比,各频率洪峰、洪量计算成果相差约5%,而且遇超标准洪水还有溃坝的可能。说明水库工程及水保措施对设计洪水计算成果影响不大。在设计条件下,受暴雨时空分布等不确定性因素影响,从工程规划设计的安全角度考虑,渭河流域设计洪水可基本不再考虑水利水保工程的影响。4设计条件下大型水库对洪水的影响分析渭河流域由于其下垫面条件的复杂性和人类活动的多样性以及降水时空分布的不均匀性,给流域洪水形成和变化规律研究带来较大困难。尤其是对于不同类型暴雨条件下产生的设计洪水,受人类活动影响更是难以定量估算。利用流域水文模型分析水库工程对不同典型的设计暴雨条件下产生的洪水影响,可有效解决这一技术难点。该方法研究思路是:构建适合本流域的水文模型,并利用实测资料率定模型参数;然后,推求设计暴雨,采用不同典型暴雨进行时空分配;最后,利用模型分别按不考虑水库防洪作用和考虑水库防洪作用2种防案,计算代表站设计洪水。考虑水库防洪作用可按水库汛期运用方式进行调洪计算,再经由河道洪水演算至代表站。计算结果表明,水库工程对设计洪水的影响作用与降雨时空分布有关。对主要来源于大型水库以参考文献:[1]SL44-93,水利水电工程设计洪水计算规范[S].[2]史辅成,易元俊,高治定.黄河流域暴雨与洪水[M].郑州:黄河水利出版社,1997.[3]徐建华,牛玉国.水利水保工程对黄河中游多沙粗沙区径流泥沙影响研究[M].郑州:黄河水利出版社,2000.