基于ANSYS的公路隧道不同衬砌断面配筋计算

，杨柳2*作者简介：刘海新，(1985-)，男，在读研究生，主要研究方向:岩土工程测试技术与井巷特殊施工技术.E-mail:[e-mail]（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室，江苏徐州221008；2.中国建筑技术集团有限公司）摘要：公路隧道衬砌配筋技术在整个隧道的设计中起着举足轻重的作用,往往需要复杂的编程和计算分析。商业通用程序ANSYS是一个功能非常强大的有限元分析程序,在公路隧道结构计算方面具有很好的效果,并且借助于高级的可视化技术,使整个分析过程具有较好的开放性和可视性。本文通过一个具体的公路隧道衬砌结构计算的实例对于常见的隧道衬砌断面形式进行了计算，并对同一地质情况下不同衬砌断面形式的计算结果进行了简要的分析。关键词：ANSYS；公路隧道；衬砌配筋；应力中图分类号：U452.2+2DifferentSectionReinforcementCalculationsofRoadTunnelLiningthatBasedonANSYSLiuHaixin1,YangLiu2(1.StateKeyLaboratoryofdeeprockmechanicsandundergroundworksofChinaUniversityofminingandtechnology,JiangSuXuZhou221008;2.ChinabuildingtechniquegroupCo.LTD)Abstract:Highwaytunnelliningreinforcementtechnologyplaysaveryimportantroleintheentiretunneldesign,whichoftenrequirescomplicatedprogrammingcalculationsandanalysis.CommercialgeneralprogramANSYSisapowerfulfiniteelementanalysisprogram,whichhasverygoodeffectinhighwaytunnelstructurecalculation.Byadvancedvisualizationtechnology,itmakesthewholeanalysisprocesshavinggoodopennessandvisibility.ThispaperfirstlybrieflydescribesthemainanalysisANSYSsoftwarefunctions,andthroughaconcretehighwaytunnelliningstructurecalculationexamplesforcommontunnelliningcross-sectionformsarecalculated.Onthesamegeologicalsituations,differentliningcalculationresultsofcross-sectionformwerebrieflyanalysed.Keywords:ANSYS;Roadtunnel;Liningreinforcement;Stress0引言ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国JohnSwanson博士于1970年创建ANSYS公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析，历经30多年的不断完善和修改，现成为全球最受欢迎的应用程序。ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成，本文主要大瑶山隧道B标段工程设计应用实例为背景来介绍该程序的计算使用方法[1]。1程序功能设计1.1自动生成节点坐标在运行该程序之前需通过在CAD中绘制好的衬砌图得出需要关键点的坐标，在ANSY运行的过程中，通过输入关键点的坐标可快速的创建好衬砌轮廓线及地层弹簧线，进一步划分衬砌单元及地层弹簧单元。然而在计算节点力时需用到每个节点的坐标，以往在求解每个中通过编程得到，这种方法往往较为复杂繁琐，而本次所开发的计算程序在创建好单元后只需通过简单的命令流的形式就可以得到节点的布置图以及每个节点的坐标，与以往方法相比，特别是处理较为复杂的图形时，这种命令流的方法相当简单、快捷[2]。1.2内力计算结果自动输出在节点力施加完成后，ANSYS的前处理过程即结束，进入求解计算的过程。本次的程序设计求解计算过程采用全牛顿－拉普森法进行求解，求解完成后即进入后处理阶段。后处理的目的是以图和表的形式表示出计算结果，并对计算结果进行一定的分析，本次程序设计通过编制相应的命令流可以自动生成出单元的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，并且还可以通过命令流的形式自动输出每个单元的弯矩、轴力、剪力以及位移的大小，与传统方法比较来说，该方法能更为直观的表现出隧道整体结构的受力和变形特征，通过隧道各部分的受力及变形特征可对隧道初期支护及二次衬砌的参数作进一步的调整，如若拱脚处弯矩及剪力较大时，具体设计过程中可以根据情况适当加厚拱脚处二次衬砌的厚度，充分发挥出衬砌各部分的作用。1.3考虑受拉弹簧对内力计算结果的影响由于地层结构主要为承压载体，不能或仅仅能承受很小的拉力，在具体计算时，若地层弹簧单元受拉力较大时将对计算结果产生较大的偏差。本次程序设计中考虑到了这点，通过“ekill”的命令可以将变形图中显示受拉弹簧单元的属性“死”，即去除掉了这些受拉的弹簧单元，图1-1给出了一个曲墙式衬砌实例中受拉弹簧单元去除前后模型的对比情况。通过重新求解计算可以得到去除受拉弹簧单元后的内力和变形图以及单元内力大小和位移的大小，进一步可以对去除受拉弹簧单元前后结构内力和位移计算结果进行比较。实践证明在进行公路隧道衬砌配筋计算时去除受拉弹簧后的内力和位移计算结果都较没有去除前大，这也说明在进行公路隧道衬砌配筋设计计算时若采用未去掉弹簧时的内力和变形进行设计时对结构的受力也是不利的[3][4]。（a）去除前（b）去除后图1-1弹簧单元去除前后模型对比Fig.1Modelcomparisonsofremovingspringunits2工程应用背景本文以大瑶山隧道B标段工程设计应用实例为背景，隧道围岩主要为长石石英砂岩、泥岩、泥质砂岩等。其围岩地质条件差，地下水位变化大，主要通过地面降雨来补给。隧道中国科技论文在线围岩级别为Ⅳ级。2.1参数选取在本次计算中采用荷载-结构模型来计算二次衬砌的内力和变形，并验算其强度。在具体的应用中采用Plane42单元模拟围岩，采用Beam3单元模拟喷射混凝土和钢拱架。在有限元分析中，需用到围岩、初期支护和二次衬砌的物理力学参数，参数的选取如表2-1所示[5]。表2-1材料物理力学参数表Tab.2-1Materialphysicalmechanicsparametertable围岩及结构容重/(kN⋅m-3)弹性模量/Gpa泊松比基床系数/(MPa⋅m-1)凝聚力/MPa内摩擦角/(°)垂直均布压力/kPa水平均布压力/kPaC30钢筋混凝土25300.2Ⅳ级围岩223.20.324000.535141.76835.4422.2隧道衬砌内力计算鉴于现阶段公路隧道衬砌结构类型常见为直墙式衬砌、三心圆曲墙拱式衬砌及圆形等形式，其中直墙式衬砌又有两种不同的类型，即上部圆弧为半圆时和上部圆弧为三个不同圆弧组成时的情况，该程序的编制过程中通过修改相应的参数分别得到了四种不同衬砌类型的内力及变形情况，并对其进行了简单的分析[6][7]。上部为三个不同圆弧组成的直墙式衬砌结构选择如图2-1所示。r2=706.2r1=图2-1直墙式二次衬砌结构图（单位：cm）Fig.2-1Thesecondliningstructureofstraightwalltype(unit:cm)2.2.1前处理在采用荷载-结构法对地下工程的衬砌结构进行力学分析时，通常采用梁单元Beam3模拟衬砌结构；而用弹簧单元Combin14模拟隧道结构与围岩间的相互作用，即地层弹簧。在生成弹簧单元的另外一个节点时，一般的做法是采用先划分梁单元，然后利用梁单元的节点，借助于复制菜单来生成弹簧单元的另外一个节点。也可根据弹簧单元的长度和必须加在法线方向的条件来计算节点的坐标，然后采用创建节点的方法生成节点。图2-2为生成的单元网格图。)对四周各节点施加Ux和Uy两个方向的约束，施加重力加速度。2)在节点上施加集中力，节点力的计算（采用EXCEL电子表格计算），计算结果如表2-2所示，由于节点对称关系节点力的计算只给出了隧道左侧一半节点的计算值。加上载荷和位移边界条件后的几何模型如图2-3所示。图2-3在节点上施加集中力图Fig.2-3Exertingconcentrationtothenodes表2-2节点力计算表Tab.2-2Nodalforcecalculatetable节点编号坐标X投影长度竖向力/kN坐标Y投影长度水平力/kN1601.52808216.63284.88410022-0.764041.5093213.97044.8240.2398.47063823-1.50931.45326206.02584.64510.472216.7357124-2.21731.3615193.01714.35180.693824.5896625-2.87081.2363175.26783.95130.898231.83421-3.45361.0502148.88483.45361.013735.9275627-3.9210.8818125.0112.93761.075438.1143328-4.33540.7716109.38822.37821.15741.0063929-4.69260.653992.70211.78061.227443.5015130-4.98930.529975.122861.15081.2858245.5720331-5.22250.400756.806440.494781.3317847.2009526-5.390.167523.74614-0.180981.2306443.6163433-5.3900-0.735861.1097239.330734-5.3900-1.29071.1097439.3314135-5.3900-1.84561.109839.3335336-5.3900-2.40051.109839.3335337-5.3900-2.95541.109739.3299938-5.3900-3.51021.109739.32999