ANSYS单元在隧洞模型中的应用

材料本构参数，以及关键选项选择等。能够输出的数据包括单元和节点号、节点坐标、单元应力应变以及结构的内力和变形等。任何形状截面的梁都可以采用Beam3单元进行计算，但必须计算其惯性矩和面积。Beam3单元示意图如图1所示。

1.2 Plane42单元

在ANSYS软件中，二维实体结构模型的建立采用Plane42。Plane42单元既可用于轴对称的单元的计算，在平面单元中也有应用。Plane42单元的需要输入的数据包含4个节点、1个厚度以及正交异性材料的方向和单元坐标系方向一致。与单元相关的结果输出有两种，一种是整个节点解中的坐标位移，另外一种是附加单元的输出。Plane42单元示意图如图2、图3所示。

2 单元生死在隧洞工程中应用

2.1 单元生死的定义

如果模型中添加或删除材料，对应模型中的单元就增加或消失，把单元的存在与消失的这种情形就称做单元生死。单元生死常用于煤矿、隧道等的开挖分析、建筑相关施工、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面的应用。

2.2 单元生死的原理

要实现单元生死的效果，不是把模型中ANSYS程序中“杀死”的单元删除，而是用一个很小的因子ESTIF乘以刚度（或传导或其他分析特性）矩阵。因子的默认值为10E-6。此时死单元的荷载变为0，不会对荷载向量产生任何影响（但任然在单元荷载列表中出现）。同样道理，死单元的比热、阻尼、质量和其他相关参数也设置为0。单元一旦被杀死，单元应变也就设为0。

2.3 单元生死在隧洞工程中应用

单元生死技术在隧洞开挖支护过程有广泛的应用。在原始围岩中进行开挖时，我们可以利用单元生死技术进行计算，将所开挖的全部围岩单元杀死。由于死单元未被激活，其质量、刚度、单元荷载等均被置为零，因此这些单元不参与计算。此时可以采用ESEL等命令予以选择。在进行钢筋混凝土衬砌支护时，将需要的单元激活，删除掉附加在该死单元上的约束，并且删除非激活自由度的节点荷载，然后根据需要在重新激活的自由度上施加的新的节点荷载。在求解结果处理上，将不被激活的单元选出选择集，以防止不激活单元在节点结果平均时污染结果[1]。

3 水工隧洞有限元模型建立

3.1 计算假设和简化

对于水工隧洞模型来说，将根据实际对模型进行以下假设和简化：（1）假设围岩是各向同性的理想弹塑性材料；（2）隧洞及围岩的受力和变形是平面应变问题；（3）岩体初始应力场仅考虑其自重应

力；（4）将初期锚喷支护范围等效为一个锚喷支护围岩加固圈；（5）

不考虑围岩与锚杆、围岩与衬砌、衬砌与锚杆的接触问题；（6）不考虑地震荷载、温度荷载和施工期荷载的影响。

3.2 模型建立过程

（1）在前处理模块中设置水工隧洞的材料属性和单元属性。在模拟围岩和衬砌时分别采用Plane42单元、Beam3单元；在材料属性中分别输入隧洞中围岩、钢筋混凝土、锚喷支护加固圈的弹性模量、泊松比、密度等参数；为了显示材料的非线性，还要输入围岩和混凝土的粘聚力、内摩擦角及膨胀角。（2）在前处理模块中建立模型。在模型的左右边界节点施加X方向约束，在下边界施加Y方向约束；在整个模型范围施加重力荷载。（3）在加载求解模块中设定求解条件，打开大位移开关等，并设定荷载步分步进行计算。首先计算只考虑自重的初始地应力，然后计算开挖支护后模型变形及内力。（4）在后处理模块中分别查看step-1和step-2的计算结果。

4 结束语

水工隧洞复合式衬砌结构形式特殊，受力状态复杂。因此，采用有限元方法，选用大型通用软件ANSYS单元生死技术建立模型合理且理论先进，模型建立更加精准，并且计算结果相对而言更加贴近实际。采用ANSYS单元生死技术对水工隧洞复合衬砌进行非线性分析越来越有必要。

参考文献

[1]ANSYS13.0土木工程有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社，2011.

作者简介：张敬博（1984-），男，陕西渭南人，硕士，助教，主要从事水利水电工程教学工作。