隧道及地下工程ANSYS实例分析

近五十年来，随着计算机硬件和软件的飞速发展和广泛应用，有限元计算技术也得到了很大的发展，出现了许多通用有限元计算软件，包括ANSYS、ALGOR、ABAQUS、MSC.NASTRAN和MSC.MARC等。

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的一个大型通用有限元分析软件，该软件是第一个通过ISO 9001质量认证的大型有限元分析设计软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。ANSYS软件能进行结构、热、流体、电磁以及声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质、水利、铁道、交通、航天航空、船舶、机械制造、核工业和石油化工等一般工业及科学研究之中。

本书特点

本书以工程实例为主，深入浅出地介绍了ANSYS在隧道及地下工程设计与施工中的应用。首先，简要介绍了大型通用有限元软件ANSYS的基本特点、使用界面、在土木工程中的应用情况以及有限元分析的基本过程实例。然后，介绍了隧道及地下工程施工和设计方法以及有限元分析方法。最后，重点介绍了采用ANSYS软件进行隧道及地下工程设计与施工力学问题的工程实例分析，包括地铁明挖隧道、双线铁路隧道、高速公路分离式偏压隧道、高速公路连拱隧道、地铁明挖和暗挖隧道以及盾构隧道的衬砌设计和施工过程力学分析。

主要内容

本书以ANSYS软件为平台，全书共分10章。具体内容安排如下：

第1章 大型有限元软件ANSYS简介。介绍了大型通用有限元软件ANSYS的基本特点、使用界面、在土木工程中的应用情况以及有限元分析的基本过程实例。

第2章 隧道及地下工程施工与设计方法。介绍了隧道及地下工程施工及设计方法，包括新奥法、明挖法、盾构法和沉管法及其设计所用的工程类比法、载荷－结构法和地层－结构法。

第3章 隧道及地下工程有限元数值模拟方法。介绍了采用有限元法进行隧道及地下工程设计和施工力学分析的基本原理，有限元法的起源、解析步骤及常用术语，可转化为有限元法的弹性力学问题，框架结构有限元解析（用于二次衬砌结构的设计），平面应变问题有限元解析（用于施工中的围岩稳定性判断）。

最后，重点介绍了第4章至第10章的内容：采用ANSYS软件进行隧道及地下工程设计与施工力学问题的工程实例分析，包括地铁明挖隧道衬砌结构设计力学分析、双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析、高速公路分离式偏压隧道施工过程仿真分析、高速公路连拱隧道二次衬砌结构设计力学分析、地铁明挖和暗挖隧道施工过程仿真分析、地铁盾构隧道管片结构设计力学分析、地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析。

本书实例全部以命令流的方式进行讲解，本书中所有实例的命令流可以到中国水利水电出版社网站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）免费下载，以供学习研究之用。

读者对象

本书以工程实例为主导，通俗易懂、例子丰富全面，适合作为高等学校隧道及地下工程专业的高年级本科生、研究生、博士生和教师的教材，也可用作科研院所以及从事与隧道及地下工程专业工作相关的技术人员和科研人员的参考用书。

编者与致谢

本书由李围编著，冼进审校。另外，参与本书编写工作的还有邹素琼、赵秋云、赵继军、彭艺、曲辉辉、周章、蒋波、徐留旺、曹振宇、张婷、温凌霜、鲁得翠、蒋泽平、魏乐、韩翔、程小英、谭小丽、卢丽娟、李小琼等，在此一并表示感谢！

配套服务

为充分展现本书的编写特点，帮助读者深刻理解本书编写意图与内涵，进一步提高对本书的使用效率，我们建立本书使用指导联络方式，是读者与编者之间交流沟通的直通车。欢迎读者将图书使用过程中的问题与各种探讨、建议反馈给我们，本书编者会竭诚为你服务。我们的联系方式E-mail：china_54@tom.com。

编 者

2007年11月

前言
第1章 大型有限元软件ANSYS简介 1
1.1 ANSYS软件概述 1
1.1.1 ANSYS软件在计算机辅助工程中的地位 1
1.1.2 ANSYS软件的主要技术特点 1
1.1.3 ANSYS软件的主要功能 2
1.1.4 安装ANSYS软件对系统的要求 2
1.2 ANSYS使用介绍 3
1.2.1 安装过程 3
1.2.2 ANSYS运行初始参数设置 3
1.2.3 ANSYS软件启动与退出 6
1.2.4 ANSYS软件使用界面 7
1.3 ANSYS软件在土木工程中的应用概况 9
1.3.1 桥梁工程 9
1.3.2 隧道及地下工程 13
1.3.3 房屋建筑工程 14
1.3.4 边坡工程 15
1.3.5 基础工程 15
1.4 ANSYS有限元分析基本过程实例 17
1.4.1 三跨连续梁受力分析 17
1.4.2 前处理 17
1.4.3 加载与求解 22
1.4.4 后处理 24
1.4.5 与结构力学位移法理论计算结果比较 26
1.5 命令流程序 29
1.6 本章小结 31
第2章 隧道及地下工程施工与设计方法 33
2.1 隧道及地下工程发展概况 33
2.1.1 发展阶段 33
2.1.2 隧道及地下工程的用途 34
2.1.3 可持续发展的隧道及地下工程 34
2.1.4 隧道及地下工程发展概况 35
2.2 隧道及地下工程施工方法概述 36
2.2.1 新奥法 36
2.2.2 浅埋暗挖法 40
2.2.3 明挖法及其变种方法 41
2.2.4 盾构法 42
2.2.5 沉管法 46
2.2.6 辅助工法 48
2.3 隧道及地下工程设计方法 51
2.3.1 隧道及地下工程设计分析力学模型 51
2.3.2 工程类比法 52
2.3.3 载荷—结构法 53
2.3.4 地层—结构法 55
2.4 本章小结 56
第3章 隧道及地下工程有限元数值模拟方法 57
3.1 有限元法概述 57
3.1.1 有限元法的发展过程 57
3.1.2 有限元法常用术语 58
3.1.3 有限元法解析步骤 59
3.2 有限元法原理 60
3.2.1 弹性力学基本方程 60
3.2.2 变分法 61
3.2.3 加权余量法 62
3.2.4 瑞利—理兹法 63
3.3 梁单元有限元解析 63
3.3.1 梁单元刚度矩阵的计算式 64
3.3.2 总刚矩阵的计算式 64
3.3.3 等效节点载荷计算式 64
3.3.4 平衡方程组的求解 65
3.4 实体单元有限元解析 66
3.4.1 单元网格划分 66
3.4.2 单元刚度矩阵推导 67
3.4.3 节点载荷向量的计算式 69
3.4.4 平衡方程组的建立 69
3.4.5 方程组的求解与后处理 69
3.5 本章小结 70
第4章 地铁明挖隧道衬砌结构设计力学分析 71
4.1 明挖隧道衬砌结构设计概述 71
4.2 Beam3和Combin14单元 73
4.2.1 Beam3单元 73
4.2.2 Combin14单元 77
4.3 衬砌结构力学有限元分析过程 79
4.3.1 前处理 79
4.3.2 加载与求解 84
4.3.3 后处理 86
4.4 计算结果分析 94
4.5 本章小结 95
第5章 双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析 97
5.1 双线铁路隧道断面设计概述 97
5.2 Plane42和Link单元 99
5.2.1 Link单元 100
5.2.2 Plane42单元 102
5.3 二次衬砌结构力学分析 105
5.3.1 材料物理力学参数和载荷计算 105
5.3.2 前处理 106
5.3.3 加载与求解 110
5.3.4 后处理 112
5.4 隧道长期安全性评价 117
5.5 台阶法施工过程仿真分析 118
5.5.1 前处理 118
5.5.2 加载与自重应力场求解 127
5.5.3 上台阶开挖模拟分析 129
5.5.4 下台阶开挖模拟分析 133
5.6 初期支护参数评价 139
5.7 本章小结 140
第6章 高速公路分离式偏压隧道施工过程仿真分析 141
6.1 高速公路分离式偏压隧道设计概述 141
6.2 施工过程仿真分析 145
6.2.1 前处理 145
6.2.2 加载与自重应力场求解 159
6.2.3 先左洞后右洞开挖模拟分析 160
6.2.4 先右洞后左洞开挖模拟分析 198
6.2.5 带加固措施条件下自重应力场分析 236
6.2.6 回填加固开挖模拟分析 240
6.3 施工顺序确定 278
6.4 围岩稳定性分析及其辅助措施 279
6.5 初期支护参数评价 281
6.6 本章小结 284
第7章 高速公路连拱隧道二次衬砌结构设计力学分析 285
7.1 连拱隧道二次衬砌结构设计概述 285
7.2 二次衬砌结构力学分析过程 287
7.2.1 前处理 287
7.2.2 加载与求解 293
7.2.3 后处理 297
7.3 内力和变形特征分析 303
7.4 本章小结 305
第8章 地铁明挖和暗挖隧道施工过程仿真分析 306
8.1 中国地铁隧道施工方法综述 306
8.1.1 国内外地铁发展历史及现状 306
8.1.2 地铁的组成与特点 307
8.1.3 中国地铁隧道施工方法现状 307
8.2 Shell63壳单元和Solid45实体单元 308
8.2.1 Shell63壳单元 308
8.2.2 Solid45（3-D）实体单元 312
8.3 普通暗挖法施工三维数值模拟分析 315
8.3.1 工程概述 316
8.3.2 单线地铁区间普通暗挖隧道设计 317
8.3.3 有限元模型的建立 318
8.3.4 加载与求解 326
8.3.5 后处理 328
8.4 明挖法施工过程仿真分析 332
8.4.1 单线地铁区间明挖隧道设计概述 332
8.4.2 有限元模型建立 333
8.4.3 加载与自重应力场模拟 341
8.4.4 施工过程仿真分析 344
8.5 计算结果分析 379
8.6 本章小结 380
第9章 地铁盾构隧道管片结构设计力学分析 382
9.1 盾构隧道管片衬砌结构设计概述 382
9.2 模拟管片衬砌结构的力学模型 385
9.2.1 载荷—结构模型 385
9.2.2 管片衬砌力学模型 386
9.3 管片衬砌结构力学分析过程 387
9.3.1 前处理 387
9.3.2 加载与求解 392
9.3.3 后处理 395
9.4 内力和变形特征分析 401
9.5 本章小结 401
第10章 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析 402
10.1 盾构隧道掘进施工模拟方法 402
10.2 工程概述及有限元模型的建立 403
10.3 掘进过程三维仿真分析 409
10.3.1 加载与自重应力场求解 409
10.3.2 加载与自重应力场求解 411
10.4 计算结果分析 418
10.5 本章小结 423
参考文献 425本书以工程实例为主，深入浅出地介绍了ANSYS在隧道及地下工程设计与施工中的应用。首先，介绍了大型通用有限元软件ANSYS的基本特点、使用界面、在土木工程中的应用情况以及有限元分析基本过程实例。然后，介绍了隧道及地下工程施工及设计方法，采用有限元法进行隧道及地下工程设计和施工力学分析的基本原理，有限元法的起源、解析步骤及常用术语，可转化为有限元法的弹性力学问题，框架结构有限元解析，平面应变问题有限元解析。最后，重点介绍了采用ANSYS软件进行隧道及地下工程设计与施工力学问题的工程实例分析，包括地铁明挖隧道衬砌结构设计力学分析、双线铁路隧道衬砌结构结构设计力学分析、高速公路分离式偏压隧道施工过程仿真分析、高速公路连拱隧道二次衬砌结构设计力学分析、地铁明挖和暗挖隧道施工过程仿真分析、地铁盾构隧道管片结构设计力学分析、地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析。
本书以工程实例为主导，通俗易懂、例子丰富全面，适合作为高等学校隧道及地下工程专业的高年级本科生、研究生、博士生和教师的教材，也可用作科研院所以及从事与隧道及地下工程专业工作相关的技术人员和科研人员的参考用书。
　　本书提供APDL命令流，可从中国水利水电出版社网站下载，网址为：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

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