隧道工程课程设计
一、
工程概况
某地区一暗挖双线马蹄形隧道，埋深h=125m，围岩等级为v级，地层平均容重16.0 kN/m3。宽度B=13.08m，隧道采用复合式衬砌形式，衬砌厚度为0.42m，配筋采用Ф
22@200mm，钢材采用HRB335，钢筋保护层厚度50mm。
二、
计算
1、 衬砌结构的计算模型
隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。根据本工程浅埋及松散地层的特点，使用阶段结构安全性检算采用“荷载—结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。
计算模型中，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧底地基均采用弹簧单元模拟。组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。具体计算模型见图1。
图1 计算模型
1
2、荷载计算
围岩压力计算参照课本中有关我国铁路隧道推荐的方法进行确定（双线隧道）或参照《铁 路隧道设计规范》，深浅埋分别计算。
按破坏阶段设计计算垂直压力公式： q=r x hq = 0.45 x 2^(s-1) x r x w 式中： hq——等效荷载高度值
S——围岩级别 r——围岩的容重
w——宽度影响系数，其值为
w=1+i（B-5）
计算得， q=0.45x2^(5-1)x16000x1.805=2.082816e6N/m 水平均布松动压力系数取0.3，则e=0.3q=0.0634e6N/m 3、ANSYS操作命令流
!荷载——结构方法计算(马蹄形断面）
finish !退出当前处理程序 /clear !清除以前数据,重新开始一个新的分析
/COM,Structural !定义分析类型,结构分析(热分析、流体分析等) /prep7 !进入前处理器
*AFUN,deg !定义角度单位为度（缺省为弧度，RAD）
! 定义建模及材料参数的一些变量值
*set,Py,2.082816e5 !定义垂直围岩压力大小（若有地表荷载加地表荷载值） *set,px1,0.0634e6 *set,px2,0.0634e6
*set,cylxsh,0.3 !定义侧压力系数 *set,cyl,Py*cylxsh !水平侧压力
*set,CQHD,0.47 !定义初支或二衬厚度
*set,CQDYCD,0.17 !定义梁单元长度参数及弹簧单元面积（梁单元长度与弹簧单元面积相等）
2
*set,CQETXML,31e9 !定义衬砌（初支或二衬）的弹性模量 *set,CQUBSB,0.2 !定义衬砌的泊松比 *set,WYTXKL,100e6 !定义围岩的弹性抗力系数 *set,WYMD,1600 !定义围岩的密度 *set,CQMD,2500 !定义衬砌的密度
!定义单元类型及材料属性及单元实常数
et,1,beam3 !定义1号单元为梁单元
mp,ex,1,CQETXML !定义1号材料的弹性模量 mp,prxy,1,CQUBSB !定义1号材料的泊松比 mp,dens,1,CQMD !定义1号材料的密度
R,1,CQHD,1/12*CQHD*CQHD*CQHD,CQHD !1-实常数号；第一个参数为梁截面的面积；第二个参数为梁单元的转动惯量；第三个参数为梁高。
!建立几何模型 !创建关键点
k,1,0,-4.65025, !k-点命令；1-点号；坐标（x,y,z) k,2,2.36643,-4.45519, k,3,4.66945,-3.87810, k,4,5.73443,-3.21404, k,5,6.39434,-2.14650, k,6,6.65675,-1.08747, k,7,6.745,0,
k,8,4.76943,4.76943, k,9,0,6.745,
k,10,-4.76943,4.76943, k,11,-6.745,0,
k,12,-6.65675,-1.08747, k,13,-6.39434,-2.14650, k,14,-5.73443,-3.21404,
3
k,15,-4.66945,-3.87810, k,16,-2.36643,-4.45519, !二衬轴线
larc,1,3,2 !三点画圆弧：起点-终点—中间点 最好全按逆时针画，弯矩及轴力的方向一致
larc,3,5,4 larc,5,7,6 larc,7,9,8 larc,9,11,10 larc,11,13,12 larc,13,15,14 larc,15,1,16
!设置线单元材料属性，划分单元(初支单元)
lsel,s,,,1,8 !LSEL,Type,Item,Comp,VMIN, VMAX,VINC
lATT,1,1,1 !给线单元付材料号、实常数、单元类型号 LATT, MAT, REAL, TYPE, ESYS
MSHKEY,1 !设置单元为映射单元（单元比较规则） lesize,1,CQDYCD !LESIZE, NL1, SIZE, ANGSIZ, NDIV, SPACE lesize,2,CQDYCD lesize,3,CQDYCD lesize,4,CQDYCD lesize,5,CQDYCD lesize,6,CQDYCD lesize,7,CQDYCD lesize,8,CQDYCD lsel,all
lmesh,all !划分线单元
nummrg,all,,,,low !所有号数从1开始
4
numcmp,node,eord !压缩节点号并排序
!施加水平弹簧支撑单元（在梁单元的每个节点上分别产生水平方向弹簧单元）
*do,i,2,118 !do循环，要对应下面一个*EDNDO
a1=abs(ny(i-1)-ny(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间y的变化量*弹性抗力 kx=a1/2
PSPRNG,i,TRAN,kx,0.2,,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM !弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧
*enddo
*do,i,121,235 !do循环，要对应下面一个*EDNDO
a1=abs(ny(i-1)-ny(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间y的变化量*弹性抗力 kx=a1/2
PSPRNG,i,TRAN,kx,-0.2,,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM !弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧
*enddo
a1=abs(ny(235)-ny(1))*WYTXKL !计算节点294上的弹性抗力 kx=a1/2
PSPRNG,236,TRAN,kx,-0.2,,,,
!施加竖直弹簧支撑单元（在梁单元的每个节点上分别产生竖直方向弹簧单元）
b1=abs(nx(236)-nx(2))*WYTXKL !计算节点1上的弹性抗力 ky=b1/2
PSPRNG,1,TRAN,ky,,-0.2,,,
*do,i,2,57 !do循环，要对应下面一个*EDNDO
b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力
5
ky=b1/2
PSPRNG,i,TRAN,ky,,-0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM !弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧
*enddo
*do,i,58,180 !do循环，要对应下面一个*EDNDO
b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力
ky=b1/2
PSPRNG,i,TRAN,ky,,0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM !弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧
*enddo
*do,i,181,235 !do循环，要对应下面一个*EDNDO
b1=abs(nx(i-1)-nx(i+1))*WYTXKL !计算节点i-1和节点i+1之间x的变化量*弹性抗力
ky=b1/2
PSPRNG,i,TRAN,ky,,-0.2,,, !PSPRNG, NLOC, TYPE, K, DX, DY, DZ, ELEM !弹簧单元,节点号,平移,弹性系数,弹簧水平长度 产生水平弹簧
*enddo
b1=abs(nx(235)-nx(1))*WYTXKL !计算节点1上的弹性抗力 ky=b1/2
PSPRNG,235,TRAN,ky,,-0.2,,,
!施加边界条件与围岩压力 /solu !!!!!进入求解器计算
!nsel,s,,,1 !选择约束的节点,仰拱中间节点
6
!d,all,ux !施加水平方向的约束 allsel
fcum,add,, !一定要，使荷载能叠加
!竖向荷载（y方向压力，最大跨度以上节点施加竖向荷载，换算成节点荷载，在节点上施加）
*do,i,58,180 !在59—181号节点施加竖向围岩压力 a=-Py*0.5*abs(nx(i-1)-nx(i+1)) !计算作用在节点上的节点力 f,i,fy,a *enddo
!水平向荷载（X方向压力，全部节点施加水平荷载，换算成节点荷载，在节点上施加） *do,i,2,118 !在2—118号节点施加水平围岩压力
a=-(px1+(px2-px1)/(ny(148)-ny(1))*(ny(148)-ny(i)))*abs(nY(i-1)-nY(i+1))*0.5 f,i,fX,a *enddo
*do,i,119,235 !在1120—235号节点施加水平围岩压力 a=(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(i)))*abs(nY(i-1)-nY(i+1))*0.5 f,i,fX,a *enddo
a=(px1+(px2-px1)/(ny(119)-ny(1))*(ny(119)-ny(236)))*abs(nY(235)-nY(1))*0.5 f,236,fX,a
!设定重力加速度
ACEL,0,9.8,0, !重力加速度以向下位置，不用加负号 ALLSEL,ALL finish
!删除轴力为拉力的弹簧单元
7
/prep7
*do,i,239,261 EDELE, i NDELE, i *enddo
*do,i,297,415 EDELE, i NDELE, i *enddo
*do,i,451,471 EDELE, i NDELE, i *enddo
*do,i,529,651 EDELE, i NDELE, i *enddo
!!!!!进入求解器计算 /solu
time,1 !定义时间步 OUTRES,ALL,LAST, !设置输出选项 solcontrol,0,0 !设置是否为非线性求解
nlgeom,1 !大变形开关 PIVCHECK,1 !如果不收敛，计算退出 neqit,100, !非线性求解，平衡力最大迭代次数
8
autots,1 !自动步长 nsubst,5 !子步数
kbc,0 !指定荷载按线性增加 ESEL,ALL NSEL,ALL
solve !求解
save,jg,db !将第一时间步的计算结果保存
!进入后处理器，对结果进行后处理 /POST1 ESEL,s,TYPE,,1 NSLE,s,ALL
etabel,ni,smisc,1 !定义梁i节点的轴力 etabel,nj,smisc,7 !定义梁j节点的轴力 etabel,mi,smisc,6 !定义梁i节点的弯矩 etabel,mj,smisc,12 !定义梁j节点的弯矩 etable,Qi,smisc,2 !定义梁i节点的剪力 etable,Qj,smisc,8 !定义梁j节点的剪力
ESEL,s,TYPE,,2
etabel,tanhuangzhouli,smisc,1 plls,ni,nj,1 plls,mi,mj,-1
9
4、计算结果
衬砌内力弯矩图（N.m）
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衬砌内力轴力（N） 5.衬砌截面强度检算
（1）隧道结构截面抗压验算： K N <= a Ra b h 式中：K——安全系数，取2.4 N——轴力（MN）
Ra——混凝土抗压极限强度（MPa） ——构件纵向弯曲系数，取 =1
a——轴向力偏心影响系数，可由e0/h值查《铁道隧道设 计规范》得到
（2）偏心受压构件的抗拉强度验算
式中： R1——混凝土极限抗拉强度
注：当e0<=0.2h，由抗压强度控制承载能力，不必验算抗裂；当e0>0.2h，由抗拉强度控制承载能力，不必验算抗压。
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（3）验算最大弯矩截面
eo = M / N = 0.52514E+06/0.92381E6 = 0.57> 0.2h = 0.2*0.42 =0.084 由抗拉强度控制承载能力, 不必验算抗压。 查上表10.2.3 取 K N <=
= 1.0；
=1.0x(1.75x3.1x1000x420)/(6x1.4-1)=1.686e6
则K <= 1.686e6/0.92381e6=1.8<3.6 所以衬砌不满足截面抗拉要求。
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