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隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。
本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。
关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。
在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。
一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。
在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。
基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。
当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，分析过程中将围岩视为隧道结构上的荷载，且为结构本身的一部分，两者间的相互作用通过围岩的弹性支撑对结构施加约束来实现。
二、隧道结构受力分析实例2.1 设计概况目标隧道为双向六车道设计，含多种断面衬砌类型，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。
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。
图1-1 单元类型库对话框第三步：定义单元实常数选择菜单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。
基于ANSYS的最小厚度公路隧道衬砌结构计算和安全分析刘远明;张森【摘要】基于大型通用软件ANSYS，按照《公路隧道设计规范》（ JTG D70-2004）相关规定和提供的强度参数，采用荷载结构法，以深埋条件下隧道为例，对各级围岩两车道公路隧道衬砌结构进行计算，求解强度安全系数，并进行相关安全分析，以解决上述工程人员关心问题，所得结论可作为工程人员参考。
【期刊名称】《黑龙江交通科技》【年(卷),期】2013(000)009【总页数】2页(P159-160)【关键词】公路隧道;围岩;荷载结构法;衬砌结构;安全系数【作者】刘远明;张森【作者单位】贵州大学土木建筑工程学院;贵州大学土木建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】U461有限元数值解法广泛用于隧道结构计算和求解隧道工程技术问题。
ANSYS软件是世界上最为通用和有效的商用有限元软件，其强大的前/后处理功能可以方便进行实现隧道结构计算分析。
(1)将隧道衬砌结构计算视为平面应变问题进行分析。
(2)假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为足够多个离散直梁单元。
(3)用弹簧单元模拟围岩和结构的相互作用，弹簧单元只能承受压力不承受拉力。
(4)按照局部变形理论确定弹性抗力。
建立有限元模型。
按照标准断面，建立衬砌结构几何模型，并采用梁单元模拟。
施加围岩压力和衬砌重力，围岩和二次衬砌之间的相互作用通过在单元的节点上施加径向弹簧进行模拟，设定边墙底端位移边界条件。
求解有限元模型。
先进行初步求解，通过后处理程序查看衬砌结构弹簧受力情况。
根据荷载一结构法假定，地层弹簧不能承受拉力，故应在模型中删除受拉弹簧。
然后重新进行分析计算，并查看和删除受拉弹簧。
重复以上求解步骤，直到删去所有受拉弹簧，则剩余的受压弹簧所在的范围即是弹性抗力的范围。
最后，进行正式求解。
所得的内力弯矩、轴力、剪力用于结构安全分析。
《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)规定了设计时速为100 km/h、80 km/h、60 km/h的两车道公路隧道设计的统一标准内轮廓线。
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析刘莉莎;郎秋玲;黄非【摘要】This paper simulates the internal force of tunnel supporting structure by using finite element a-nalysis software ANSYS,calculates and analyzes stress,bending moment,displacement etc.,in order to de-termine the most dangerous section and the part of the largest stress of tunnel supporting structure,thus to achieve reasonably determine the tunnel excavation,optimize the structure of tunnel support design,and re-duce the construction cost.%运用有限元分析软件 ANSYS 模拟隧道支护结构的内力，对隧道支护结构的轴力、弯矩、位移等进行计算分析，从而确定最危险截面和受力最大的部位，达到合理确定隧道开挖、优化隧道支护结构设计，降低其建设成本的目标。
【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P14-16)【关键词】ANSYS;隧道;轴力;弯矩;位移【作者】刘莉莎;郎秋玲;黄非【作者单位】长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021【正文语种】中文【中图分类】U451.40 引言目前，伴随着岩土力学的发展，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。
5.1二次衬砌结构力学分析/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM，/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM，Structural!/PREP7 !进入前处理器ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型ET，2，COMBIN14 !设置弹簧单元类型R，1，0.4，0.0053333，0.4，，，，!设置梁单元几何常数R，2，400e6，，，!设置弹簧单元几何常数MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度SAVE !保存数据库1．建立几何模型K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）K, 2, 4.71, -1.82, ,K, 3, -4.71, -1.82, ,K, 4, 0, -3.75, ,K, 5, 0, 5.05, ,K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）K, 30, -5.6, -2.16, ,K, 40, 0, -4.75, ,K, 50, 0, 6, ,!创建隧道衬砌线LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）LARC, 5, 3, 1, 5.05,LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）第1章大型有限元软件ANSYS简介2 ! 创建地层弹簧线LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）LARC,50, 30, 1, 6,LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）SAVE !保存数据2．单元网格划分设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
