选取新建铁路宜昌〔宜〕－万州〔万〕铁路线上的别岩槽隧道*断面，该断面设计单位采用的支护构造如图3-3所示为保证构造的平安性，采用了荷载—构造模型，利用ANSYS对其进展计算分析主要参数如下：l 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cml 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料l 隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是米，深埋隧道l 隧道仰拱下承受水压，水压图 3-3 隧道支护构造断面图隧道围岩级别是Ⅳ级，其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3-3所示表3-3 物理力学指标名称容重〔〕弹性抗力系数K〔MPz/m〕弹性模量E〔GPa〕泊松比内摩擦角〔〕凝聚力C〔MPa〕Ⅳ级围岩2230029C30钢筋混凝土25-3054表3-4 荷载计算表荷载种类围岩压力构造自重水压N/m3垂直匀布力N/m3水平匀布力N/m3值8022516045通过ANSYS添加200000根据"铁路隧道设计标准"，可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力和水平匀布力对于竖向和水平的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。
隧道仰拱部受到的水压按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载3.3.3 GUI操作方法3.3.3.1 创立物理环境1) 在【开场】菜单中依次选取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到"10.0ANSYS Product Launcher〞对话框2〕选中【File Management】，在"Working Directory〞栏输入工作目录"D:\ansys\e*ample301〞，在"Job Name〞栏输入文件名"Support〞3〕单击"RUN〞按钮，进入的GUI操作界面4〕过滤图形界面：Main Menu> Preferences，弹出"Preferences for GUI Filtering〞对话框，选中"Structural〞来对后面的分析进展菜单及相应的图形界面过滤5〕定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入"Tunnel Support Structural Analysis〞，单击"OK〞，如图3-4所示图3-4 定义工作标题6〕定义单元类型：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出"Element Types〞单元类型对话框，如图3-5所示，单击"Add〞按钮，弹出"Library of Element Types〞单元类型库对话框，如图3-6所示。
在该对话框左面滚动栏中选择"Beam〞，在右边的滚动栏中选择"2D-elastic 3〞，单击"Apply〞，定义了"Beam3〞单元再在左面滚动栏中选取"Combination〞，右边的滚动栏中选择"Spring-damper 14〞，如图3-7所示然后单击"OK〞按钮，这就定义了"Combin14〞单元，最后单击图3-5单元类型对话框中的"Close〞按钮图3-5 单元类型对话框3-6 定义Beam3单元对话框3-7 定义Combin14单元对话框7〕定义材料属性：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出"Define Material Model Behavior〞对话框，如图3-8所示在右边的栏中连续双击"Structural> Linear> Elastic>Isotropic〞后，又弹出如图3-9所示"Linear Isotropic Properties for Material Number 1〞对话框，在该对话框中"E*〞后面的输入栏输入"3E10〞，在"PR*Y〞后面的输入栏输入"〞，单击"OK〞。
再在定义材料本构模型对话框选中"Density〞并双击，弹出如图3-10所示"Density for Material Number 1〞对话框，在"DENS〞后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度"2500〞，再单击"OK〞按钮图 3-8 定义材料本构模型对话框图 3-9 线弹性材料模型对话框图 3-10材料密度输入对话框最后单击"Material> E*it〞完毕，得到结果如图3-11所示`图3-11 材料属性定义结果 8〕定义实常数：Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete，弹出"Real Constants〞实常数对话框，如图3-12所示单击"Add〞按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中"Type 1 BEAM3〞，单击"OK〞按钮，弹出如图3-14所示"Real Constant for BEAM3〞对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护构造BEAM3梁单元的横截面积AREA"〞、惯性矩IZZ"〞、高度HEIGHT"〞图3-12 实常数对话框图3-13 选择单元类型对话框图3-14 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框图3-15 定义隧道仰拱BEAM3实常数2对话框然后单击"OK〞按钮，然后在弹出的对话框中单击"Add〞按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中"Type 1 BEAM3〞，单击"OK〞按钮，弹出如图3-15所示的对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护构造BEAM3梁单元的横截面积AREA"〞、惯性矩IZZ"〞、高度HEIGHT"〞。
这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部及顶部的厚度不同，所以要建立2个BEAM2实常数然后单击"OK〞按钮，在弹出的对话框中单击"Add〞按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中"Type 2 Combin14〞，单击"OK〞按钮，弹出如图3-16所示"Real Constant Set Number 3 for COMBIN14〞对话框，在"SPRING CONSTANT 〞栏后面输入"30000000〞，单击"OK〞按钮，弹出如图3-17对话框，最后单击"Close〞按钮图3-16 COMBIN14实常数后对话框图3-17 定义完实常数后对话框3.3.3.2 建立模型和划分网格 1〕创立隧道衬砌支护关键点：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，弹出"Creae Keypoints in Active Cooedinate System〞对话框，如图3-18所示在"NPT keypoint number〞栏后面输入"1〞，在"*，Y，Z Location in active CS〞栏后面输入"〔0，0，0〕〞，单击"Apply〞按钮，这样就创立了关键点1。
再依次重复在"NPT keypoint number〞栏后面输入"2、3、4、5、6、7〞，在对应"*，Y，Z Location in active CS〞栏后面输入"〔0，，0〕、〔，，0〕、〔，，0〕、〔，，0〕、〔，，0〕、〔，0，0〕，最后单击"OK〞按钮，生成7个关键点，如图3-19所示图3-18 在当前坐标系创立关键点对话框图3-19 隧道支护关键点 2〕创立隧道衬砌支护线模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad，弹出如图3-20所示的对话框在对话框栏中输入关键点"1，2〞，单击"Apply〞，弹出如图3-21所示对话框在对话框栏中输入关键点"6〞，弹出"Arc By End KPs & Rad 〞对话框，如图3-22所示在"RAD Radius of the arc〞栏后面输入弧线半径"〞，单击"Apply〞按钮，这样就创立了弧线1图3-20 定义弧线两端点对话框图3-21 定义弧线曲率关键点对话框图3-22 画弧线对话框重复以上操作步骤，分别把图3-22对话框栏中空栏依次输入"，2，3，6〞、"，3，4，6〞、"，4，5，2〞、"，5，6，2〞、"，6，7，2〞、"6，7，1，4〞，最后单击"OK〞按钮，生成隧道衬砌支护线模型，如图3-23所示。
图3-23 隧道衬砌支护线模型3〕保存几何模型文件；Utility Menu> File> Save as，弹出一个"Save Database〞对话框，在"Save Database to〞下面输入栏中输入文件名"〞，单击"OK〞4〕给线赋予特性：Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool，弹出"MeshTool〞对话框，如图3-24所示在"Element Attributes〞后面的下拉式选择栏中选择"Lines〞，按"Set〞按钮，弹出一个"Lines Attributes〞线拾取框，在图形界面上拾取为"L1、L2、L3、L4、L5、L6〞的线，单击拾取框上的"OK〞按钮，又弹出一个如图3-25所示的"Lines Attributes〞对话框，在"Material number〞后面的下拉式选择栏中选取"1〞，在"Real Constant set number 〞后面的下拉式选择栏中选取"1〞，在"Element type number 〞后面的下拉式选择栏中选取"1 BEAM3〞单击"Apply〞再次弹出线拾取框用一样方法给线L7赋予特性，其他选项与"L1、L2、L3、L4、L5、L6〞的线一样，只是在"Real Constant set number 〞后面的下拉式选择栏中选取"2〞，单击"OK〞按钮退出。
图3-24 网格划分工具栏图3-25 赋予线特性对话框5〕控制线尺寸：在"MeshTool〞对话框中的"Size controls〞下面的选择栏中的"Lines〞右边单击"Set〞，在弹出对话框中拾取线L1和L6，单击拾取框上的"OK〞按钮，弹出"Element Sizes on All Selected Lines〞对话框，如图3-26所示在"No of element divisions 〞栏后面输入"4〞再单击"Apply〞按钮用一样方法控制线L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是线L2、L3、L4、L5在"No of element divisions 〞栏后面输入"2〞，线L7在"No of element divisions 〞栏后面输入"8〞图3-26 线单元尺寸划分对话框 6〕划分网格：在图3-24 网格划分工具栏中单击"Mesh〞按钮，弹出一个对话框，单击"Pick ALL〞，生成24个梁单元，如图3-27所示图3-27 隧道支护单元图 7〕翻开节点显示：Utility Menu> PlotCtrls> Numbering，弹出"Plot Numbering Controls〞对话框，如图3-28所示。
选中"Node Numbers〞选项，后面的文字由"off〞变为"on〞,单击"OK〞关闭窗口显示这些节点目的是为后面创立弹簧单元准备，这些节点是弹簧单元的一个节点图3-28 显示节点对话框 8〕创立弹簧单元：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Pip。