-
公路隧道二次衬砌受力分析
课
程
设
计
任
务
书
题
目
公路隧道二次衬砌受力分析
一、设计的目的
学会利用
ANSY
S
的功能分析隧道二次衬砌等一些相对复杂的结构，使
对
ANSYS
的操作更加娴熟，更好的投入实际应用。
< br>
二、设计的内容及要求
设计内容：某高速公路隧道，采用矿山法施工，隧道
V
级围岩中。其围岩埋深为
21.173m
，隧道内断面轮廓
如下图，采用
C30
混凝土，厚度为
5
0cm
。做出内力图，
列出各单元内力值。《二衬荷载按照计算
荷载的
30%
计算，并保留三位小数》
操作步骤：
1.1
指定工作文件名。
执行“开始→程序→
ANSYS
→ANSYS
Product Launcher”菜单命令创建
Job
Name
为
Mechanical analysis on
permanent lining of tunnel in Express-way
1.2
定义分析标题
执行“
Utility Menu
→<
/p>
File
→
Change Title”
菜单
命令
，在对
话框中
输入
“
Mechanical
analysis on permanent lining of tunnel in Express-
way
”
Main Menu
→
preferencers
在弹出的菜单选
择
structural.
1.3
定义单元类型
执行“
Main Menu
→
Preprocess
→
Element Ty
pe
→Add/Edit/Delete”然后执行：
add<
/p>
→
beam
→
2
D
elastic
3
→
OK
；再
Add
→
COMBIN
→
Spring-damper
14
→
OK
关闭窗
口。
1.4
定义单元实常数
执行
Main Menu
→
Preprocessor
→
Real Cons
tants
→
Add/Edit/Delete
→
add
→
ok
→
Type 1 BEAM3
→
< br>OK
→
Real Constant Set No.<
/p>
栏中输入
1
，在
AREA
栏输入
0.5
→在
IZZ(
惯性矩
)
栏输入
0.5*0.5*0.5*/12
→
H
EIGHT(
高度
)
栏输入
0.5
→
Apply;
同
理定义弹簧实常数
k
，
100e6
。
1.5
定义材料属性
1
、执行：
Main Menu
→
Preprocessor
→
Material props
→
Material
Models
→
Structural
→
Linear
→
Elastic
→
Isotropic
→在弹性模量
EX
栏输入
30e9
→在
PRXY
栏输入
0.2
→
OK
，再点击
Dens
ity
，
DENS
栏输入
2500
→执行“
Meterial
→
1
公路隧道二次衬砌受力分析
New
Modle
”
，
单击
OK
，
双击
Isotropic
，
在
EX
栏填写
1E9
，
在
PRXY
栏填写
0.35
，
单击
OK
，双击
Density
，在
< br>DENS
栏填写
1800
，单击
OK
，关闭对话框；
1.6
定义截面属性
Main Menu
→
Preproc
essor
→
sections
→
Beam
→
Common section
s
→
B
中输入
,1
→
在
H
中
输入
0.5
→
ok
1.7
建立几何模型
⑴
执
行
：
Main
Menu
→
preprocessor
→
M
odeling
→
Create
→
Keypoints
→
in
active
CS
→依次输入坐标点
1
（
0,0
）
点击
Apply,
如此依次输入，
2
（
-3.34
，
0
）
，
3
（
3.34,0
）
，
4
（
0,11.37
）
，点击
OK
。
⑵
执行命令
circle,1,5.65
circle,2,2.52
circle,3,2.52
circle,4,14.25
circle,1,6.65
circle,2,3.52
circle,3,3.52
circle,4,15.25
生成八个圆。
⑶
执行
Modeling
→
operate
→
booleans
→
overlay
然后根据需要两根线搭接生
成关键点。
⑷
<
/p>
执行
Modeling
→
delete
→
lines only
选择不需要的线点击
Apply
→
OK.
⑸
执行
PlotCtrls
→
Symbols
→
LDIR Line
将
of
f
打√变为
on
→
OK.
⑹
执行
Modeling
→
move/modify
→
reverse
Normols
→
of lines
→
on
打√变为
yes
< br>→
OK.
1.8
划分单元
GUI
执
行
：
MainCMenu
→
preprocessor
→
Meshing
→
M
esh
tool
→
Element
Attributes
选择
lines
→
set
→选择
L1
、
L2
、
L6
、
L10
、
L9
、
L11
、
< br>L12
、
L8
的
8
段→
Apply
→
OK; Size Controls
→
lin
es
→
set
→选择
< br>L3
、
L4
、
< br>L1
、
L2
的
< br>4
段→
Apply
在
NDIV
输入
16
→
OK
；同理分别选择
L5
< br>、
L6
、
L7
< br>、
L8
、
L10
、
L14
、
L12
、
L16
→输入
2
；
L9
、
L11
、
L13
、
L15
→输入
10
；
点击
OK
，
点击
Mesh,
点击
Pick
All.
1.9
生成弹簧
执行：
PlotCtrls
→
Nu
mbering
→勾选
Node
number
为
on
执
行
：
Main
Menu<
/p>
→
Preprocessor
→
Modeling
→
Creat
→
Eelement
→
Ele
m
Attributes
→选择所有都为第二项→
OK
。
执行：
Main
Menu
→
Preprocessor
→
< br>Modeling
→
Creat
→
Eelement
→
Auto
Numbered
→
thru
Nodes
→然后相应节点相连接，即生成弹簧单元。
执行
Meshing
→
clear
→选中外面的线→点击
OK
。
执行
Modeling
→
delete
→
li
nes only
选择不需要的线点击
Apply
→
OK.
2.0
加约束，荷载
(1)
执
行
：
Main
→
Menu
→
solution
→
Define
Loads
→
Apply
→
Structural
→
Disp
lacement
→
on nodes
→在弹簧末端施加
UX
、
UY
方向约束
;
2
公路隧道二次衬砌受力分析
(2)
执行
F,
17
,
fx,
-1396.85
fy,
-123119
F,
16
,
fx,
-2809.83
fy,
-121337
F,
15
,
fx,
-4253.78
fy,
-118387
F,
14
,
fx,
-5741.03
fy,
-114297
F,
13
,
fx,
-7280.22
fy,
-109106
F,
12
,
fx,
-8875.4
fy,
-102865
F,
11
,
fx,
-10525.2
fy,
-95632.5
F,
10
,
fx,
-12222.4
fy,
-87479.3
F,
9
,
fx,
-13953.5
fy,
-78483.6
F,
8
,
fx,
-15699
fy,
-68732
F,
7
,
fx,
-17433.5
fy,
-58318.6
F,
6
,
fx,
-19126.1
fy,
-47343.4
F,
5
,
fx,
-20741.8
fy,
-35912.4
F,
4
,
fx,
-22241.9
fy,
-24135.5
F,
3
,
fx,
-23585.9
fy,
-12126.1
F,
1
,
fx,
-27049.8
fy,
0
F,
72
,
fx,
-30500.5
fy,
0
F,
71
,
fx,
-25909.2
fy,
0
F,
109
,
fx,
-18697.7
fy,
0
F,
99
,
fx,
-12293.4
fy,
0
F,
108
,
fx,
-7808.54
fy,
0
F,
107
,
fx,
-7028.54
fy,
0
F,
106
,
fx,
-6218.13
fy,
0
F,
105
,
fx,
-5380.78
fy,
0
F,
104
,
fx,
-4520.12
fy,
0
F,
103
,
fx,
-3639.86
fy,
0
F,
102
,
fx,
-2743.81
fy,
0
F,
101
,
fx,
-1835.85
fy,
0
F,
100
,
fx,
-992.454
fy,
0
F,
2
,
fx,
0
fy,
-123714
F,
19
,
fx,
1396.846
fy,
-123119
F,
20
,
fx,
2809.825
fy,
-121337
F,
21
,
fx,
4253.781
fy,
-118387
F,
22
,
fx,
5741.026
fy,
-114297
F,
23
,
fx,
7280.218
fy,
-109106
F,
24
,
fx,
8875.395
fy,
-102865
F,
25
,
fx,
10525.21
fy,
-95632.5
F,
26
,
fx,
12222.4
fy,
-87479.3
F,
27
,
fx,
13953.54
fy,
-78483.6
F,
28
,
fx,
15699.04
fy,
-68732
F,
29
,
fx,
17433.46
fy,
-58318.6
F,
30
,
fx,
19126.09
fy,
-47343.4
3
公路隧道二次衬砌受力分析
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
F,
31
32
33
18
74
73
86
75
77
78
79
80
81
82
83
84
85
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
fx,
20741.76
22241.93
23585.93
27049.78
30500.54
25909.15
18697.68
12293.39
7808.54
7028.54
6218.125
5380.782
4520.12
3639.859
2743.807
1835.849
992.4544
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
fy,
-35912.4
-24135.5
-12126.1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
(3)
自重荷载
Main
→
Menu
→
solu
tion
→
Define Loads
→
Apply
→
Structural
→
Inertia
→
< br>Gravity
→
Global
→
ACELY
栏中输入
10
→
OK
2.1
求解
GUI
执行：
Main
→
Menu
→
solution
→
solve
→
current L
S
→
ok
，得到一个计算结
果。
2.2
计算变形图。
执行：
select entities
选择
Elements
和
Res
elect
，选择衬砌。单击
OK
。<
/p>
执行；
Plotctrls
→
style
→
siz
e and shape
→
Display of
element
→勾选为
On
执行：
Main
→
Menu
< br>→
Geaneral
postproc
→
Plot
result
→
Deformed <
/p>
shape
→得出
变形图。
执行：
File
→
Report Generator-
Append,
生成一个抓图工具，抓取变形图。
2.3
定义轴力、剪力、弯矩
GUI
执行：
Main
→
Menu
→
Geaneral
postproc
→
Element
table
→
Dfine table
→
add
→
By sequence
num
→定义轴力在
lab
栏中输入→
IN
→
SMISC,1
→
Apply
；在
lab
栏中输入→
IN
→
SMISC,7
→
Apply
；同理定
义剪力
IQ
、
JQ,
< br>分别对应
SMISC,2
、
SM
ISC,8
；同理定义弯矩
IM
、
JM
，分别对应
SMISC,6
、
SMISC,12
。
2.4
分别绘制出轴力、剪力、弯矩图
(1)
执行：
Main
→
Menu
→
Geaner
al postproc
→
Plot
Results
→
contor
plot
→
line elem res
→
LabI
选择
1,LabJ
选择
7
→
OK
得出了轴力图。
(2)
< br>执行：
Main
→
Menu
→
Geaneral
postproc
→
Plot
Results
→
contor
plot
→
line elem res
→
LabI
选择
2,LabJ
选择
8
→
OK
得出了剪力图。
4
公路隧道二次衬砌受力分析
(3)
执行：
Main
→
Menu
→
Geaneral postproc
→
Plot
Results
→
contor
plot
→
line
elem
res
→
LabI
选择
6,LabJ
选择
12
，
Fact
栏中输入
-1
→
OK
得出了弯矩图。
若受力图不对，则可能是因为上部弹簧受拉造成。则执行命令
nropt,fu
ll,,
allsel
outres,all,all <
/p>
再执行：
solution
→
load step opts
→
other
→
Dirth&death
→
kirl element
选
择上面相对称的弹簧→
OK
。
再执行上面操作查看内力图，<
/p>
直到满足要求为止。
得
到图形如下：
受力图：
变形图：
5
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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