鄧明揚(yáng)

摘要：地下結(jié)構(gòu)泛指在地下修筑的各種結(jié)構(gòu)物。地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結(jié)構(gòu)體系，但兩者之間在工作環(huán)境、力學(xué)作用機(jī)理等方面都存在著較大的區(qū)別。地下結(jié)構(gòu)是處在復(fù)雜地質(zhì)中的結(jié)構(gòu)物，要對其進(jìn)行研究，必須抽象出一些既符合實(shí)際又便于分析計算的力學(xué)模型。Anysis 軟件在力學(xué)分析中起著重大的作用，現(xiàn)已被設(shè)計人員廣泛采用，節(jié)省了大量的時間，提高了計算準(zhǔn)確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應(yīng)用的以及其分析力學(xué)問題的過程，重點(diǎn)介紹荷載—結(jié)構(gòu)模型。

關(guān)鍵詞：ANYSIS；地下結(jié)構(gòu)；荷載—結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)—荷載模型是我國地下結(jié)構(gòu)的計算中唄廣泛的采用。此模型的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計算簡單，容易被初學(xué)者掌握。

1荷載—結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展階段

①剛性結(jié)構(gòu)階段；②彈性結(jié)構(gòu)階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結(jié)構(gòu)力學(xué)計算模型的建立

就是將現(xiàn)實(shí)中的受力簡化成可以計算的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用軟件進(jìn)行受力分析計算，在保證準(zhǔn)確的前提下，節(jié)約了大量的人力，提高了工程進(jìn)度，這一步是解決問題的關(guān)鍵。

2.1結(jié)構(gòu)體系的理想化

在進(jìn)行有限元分析時，要對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行理想化，就是將地下結(jié)構(gòu)看成有限個單元的組合體，而單元和單元之間僅在單元的端點(diǎn)（亦稱為節(jié)點(diǎn)）處相互連接，作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載和內(nèi)力都只能通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，以節(jié)點(diǎn)位移來代表整個結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。

2.1.1支護(hù)結(jié)構(gòu)理想化

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，一般的桿系結(jié)構(gòu)常?？呻x散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯(lián)結(jié)點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn)。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學(xué)特性就是荷載、結(jié)構(gòu)、材料三位一體。穩(wěn)定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護(hù)的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結(jié)構(gòu)有明確的荷載作用是完全不同的。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，目前還不得不“人為”的給定一個荷載值，并把這個荷載作用到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，就是我們所謂的圍巖壓力。

2.1.3外荷載理想化

隧道襯砌所承受的外荷載，除了結(jié)構(gòu)自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉(zhuǎn)換為等效結(jié)點(diǎn)荷載，作用在離散化襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上，嚴(yán)格的說按靜力等效的原則進(jìn)行置換，即結(jié)點(diǎn)荷載所做的虛功應(yīng)等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準(zhǔn)確性較差，故可按簡單而近似的辦法— 即按簡支分配的原則進(jìn)行置換，這是襯砌計算中常用的方法。

2.1.4邊界條件理想化

最后簡化出如圖1所示的計算簡圖。

圖1彈性地基梁法計算圖式

2.2單元剛度矩陣分析

用二桿系結(jié)構(gòu)有限元模型分析地下結(jié)構(gòu)時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節(jié)點(diǎn)連接，地下結(jié)構(gòu)與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標(biāo)系下的梁單元剛度矩陣

對每一根梁單元ij均可取一個坐標(biāo)x′o′y′，這個坐標(biāo)系的x′軸規(guī)定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉(zhuǎn)90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標(biāo)系，稱為Ij梁單元的局部坐標(biāo)系

2.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

整體坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k]和局部坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k′]同樣具有對稱性和奇異性，同時其內(nèi)各元素值只與梁單元的物理性質(zhì)、幾何形狀和梁單元在整體坐標(biāo)系中的位置有關(guān)。

3ANYSIS軟件有以下技術(shù)特點(diǎn)

3.1較強(qiáng)的建模能力

幾何實(shí)體一般是通過各種布爾運(yùn)算和操作建立起來的。

3.2求解能力強(qiáng)大

迭代求解器（預(yù)條件共軛梯度、不完全共軛梯度、雅可比共軛梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩陣）、特征值求解發(fā)、并行求解器（分布式并行、代數(shù)多重網(wǎng)格）等。

3.3強(qiáng)大的非線性分析能力

可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，課廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫(yī)學(xué)、和原子能等工程的分析和科學(xué)研究。

4結(jié)語

隨著工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對人才的要求也越來越高。現(xiàn)代化的工程人才應(yīng)該擁有完整的知識結(jié)構(gòu)。不論是在工程實(shí)踐，還是理論修養(yǎng)以及計算能力上都要受到嚴(yán)格的、高水平的訓(xùn)練，三者必須具備，缺一不可，否則在以后的社會競爭中將寸步難行。計算能力的提高有很多方法，應(yīng)用大型商業(yè)通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強(qiáng)大，簡單易學(xué)，是優(yōu)選的通用程序。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾艷華.地下結(jié)構(gòu)ANYSIS有限元分析[M].中國鐵道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文庫.第五章 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構(gòu)隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下結(jié)構(gòu)泛指在地下修筑的各種結(jié)構(gòu)物。地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結(jié)構(gòu)體系，但兩者之間在工作環(huán)境、力學(xué)作用機(jī)理等方面都存在著較大的區(qū)別。地下結(jié)構(gòu)是處在復(fù)雜地質(zhì)中的結(jié)構(gòu)物，要對其進(jìn)行研究，必須抽象出一些既符合實(shí)際又便于分析計算的力學(xué)模型。Anysis 軟件在力學(xué)分析中起著重大的作用，現(xiàn)已被設(shè)計人員廣泛采用，節(jié)省了大量的時間，提高了計算準(zhǔn)確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應(yīng)用的以及其分析力學(xué)問題的過程，重點(diǎn)介紹荷載—結(jié)構(gòu)模型。

關(guān)鍵詞：ANYSIS；地下結(jié)構(gòu)；荷載—結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)—荷載模型是我國地下結(jié)構(gòu)的計算中唄廣泛的采用。此模型的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計算簡單，容易被初學(xué)者掌握。

1荷載—結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展階段

①剛性結(jié)構(gòu)階段；②彈性結(jié)構(gòu)階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結(jié)構(gòu)力學(xué)計算模型的建立

就是將現(xiàn)實(shí)中的受力簡化成可以計算的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用軟件進(jìn)行受力分析計算，在保證準(zhǔn)確的前提下，節(jié)約了大量的人力，提高了工程進(jìn)度，這一步是解決問題的關(guān)鍵。

2.1結(jié)構(gòu)體系的理想化

在進(jìn)行有限元分析時，要對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行理想化，就是將地下結(jié)構(gòu)看成有限個單元的組合體，而單元和單元之間僅在單元的端點(diǎn)（亦稱為節(jié)點(diǎn)）處相互連接，作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載和內(nèi)力都只能通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，以節(jié)點(diǎn)位移來代表整個結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。

2.1.1支護(hù)結(jié)構(gòu)理想化

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，一般的桿系結(jié)構(gòu)常常可離散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯(lián)結(jié)點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn)。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學(xué)特性就是荷載、結(jié)構(gòu)、材料三位一體。穩(wěn)定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護(hù)的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結(jié)構(gòu)有明確的荷載作用是完全不同的。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，目前還不得不“人為”的給定一個荷載值，并把這個荷載作用到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，就是我們所謂的圍巖壓力。

2.1.3外荷載理想化

隧道襯砌所承受的外荷載，除了結(jié)構(gòu)自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉(zhuǎn)換為等效結(jié)點(diǎn)荷載，作用在離散化襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上，嚴(yán)格的說按靜力等效的原則進(jìn)行置換，即結(jié)點(diǎn)荷載所做的虛功應(yīng)等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準(zhǔn)確性較差，故可按簡單而近似的辦法— 即按簡支分配的原則進(jìn)行置換，這是襯砌計算中常用的方法。

2.1.4邊界條件理想化

最后簡化出如圖1所示的計算簡圖。

圖1彈性地基梁法計算圖式

2.2單元剛度矩陣分析

用二桿系結(jié)構(gòu)有限元模型分析地下結(jié)構(gòu)時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節(jié)點(diǎn)連接，地下結(jié)構(gòu)與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標(biāo)系下的梁單元剛度矩陣

對每一根梁單元ij均可取一個坐標(biāo)x′o′y′，這個坐標(biāo)系的x′軸規(guī)定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉(zhuǎn)90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標(biāo)系，稱為Ij梁單元的局部坐標(biāo)系

2.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

整體坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k]和局部坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k′]同樣具有對稱性和奇異性，同時其內(nèi)各元素值只與梁單元的物理性質(zhì)、幾何形狀和梁單元在整體坐標(biāo)系中的位置有關(guān)。

3ANYSIS軟件有以下技術(shù)特點(diǎn)

3.1較強(qiáng)的建模能力

幾何實(shí)體一般是通過各種布爾運(yùn)算和操作建立起來的。

3.2求解能力強(qiáng)大

迭代求解器（預(yù)條件共軛梯度、不完全共軛梯度、雅可比共軛梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩陣）、特征值求解發(fā)、并行求解器（分布式并行、代數(shù)多重網(wǎng)格）等。

3.3強(qiáng)大的非線性分析能力

可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，課廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫(yī)學(xué)、和原子能等工程的分析和科學(xué)研究。

4結(jié)語

隨著工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對人才的要求也越來越高。現(xiàn)代化的工程人才應(yīng)該擁有完整的知識結(jié)構(gòu)。不論是在工程實(shí)踐，還是理論修養(yǎng)以及計算能力上都要受到嚴(yán)格的、高水平的訓(xùn)練，三者必須具備，缺一不可，否則在以后的社會競爭中將寸步難行。計算能力的提高有很多方法，應(yīng)用大型商業(yè)通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強(qiáng)大，簡單易學(xué)，是優(yōu)選的通用程序。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾艷華.地下結(jié)構(gòu)ANYSIS有限元分析[M].中國鐵道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文庫.第五章 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構(gòu)隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下結(jié)構(gòu)泛指在地下修筑的各種結(jié)構(gòu)物。地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結(jié)構(gòu)體系，但兩者之間在工作環(huán)境、力學(xué)作用機(jī)理等方面都存在著較大的區(qū)別。地下結(jié)構(gòu)是處在復(fù)雜地質(zhì)中的結(jié)構(gòu)物，要對其進(jìn)行研究，必須抽象出一些既符合實(shí)際又便于分析計算的力學(xué)模型。Anysis 軟件在力學(xué)分析中起著重大的作用，現(xiàn)已被設(shè)計人員廣泛采用，節(jié)省了大量的時間，提高了計算準(zhǔn)確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應(yīng)用的以及其分析力學(xué)問題的過程，重點(diǎn)介紹荷載—結(jié)構(gòu)模型。

關(guān)鍵詞：ANYSIS；地下結(jié)構(gòu)；荷載—結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)—荷載模型是我國地下結(jié)構(gòu)的計算中唄廣泛的采用。此模型的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計算簡單，容易被初學(xué)者掌握。

1荷載—結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展階段

①剛性結(jié)構(gòu)階段；②彈性結(jié)構(gòu)階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結(jié)構(gòu)力學(xué)計算模型的建立

就是將現(xiàn)實(shí)中的受力簡化成可以計算的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用軟件進(jìn)行受力分析計算，在保證準(zhǔn)確的前提下，節(jié)約了大量的人力，提高了工程進(jìn)度，這一步是解決問題的關(guān)鍵。

2.1結(jié)構(gòu)體系的理想化

在進(jìn)行有限元分析時，要對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行理想化，就是將地下結(jié)構(gòu)看成有限個單元的組合體，而單元和單元之間僅在單元的端點(diǎn)（亦稱為節(jié)點(diǎn)）處相互連接，作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載和內(nèi)力都只能通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，以節(jié)點(diǎn)位移來代表整個結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。

2.1.1支護(hù)結(jié)構(gòu)理想化

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，一般的桿系結(jié)構(gòu)常?？呻x散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯(lián)結(jié)點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn)。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學(xué)特性就是荷載、結(jié)構(gòu)、材料三位一體。穩(wěn)定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護(hù)的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結(jié)構(gòu)有明確的荷載作用是完全不同的。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，目前還不得不“人為”的給定一個荷載值，并把這個荷載作用到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，就是我們所謂的圍巖壓力。

2.1.3外荷載理想化

隧道襯砌所承受的外荷載，除了結(jié)構(gòu)自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉(zhuǎn)換為等效結(jié)點(diǎn)荷載，作用在離散化襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上，嚴(yán)格的說按靜力等效的原則進(jìn)行置換，即結(jié)點(diǎn)荷載所做的虛功應(yīng)等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準(zhǔn)確性較差，故可按簡單而近似的辦法— 即按簡支分配的原則進(jìn)行置換，這是襯砌計算中常用的方法。

2.1.4邊界條件理想化

最后簡化出如圖1所示的計算簡圖。

圖1彈性地基梁法計算圖式

2.2單元剛度矩陣分析

用二桿系結(jié)構(gòu)有限元模型分析地下結(jié)構(gòu)時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節(jié)點(diǎn)連接，地下結(jié)構(gòu)與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標(biāo)系下的梁單元剛度矩陣

對每一根梁單元ij均可取一個坐標(biāo)x′o′y′，這個坐標(biāo)系的x′軸規(guī)定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉(zhuǎn)90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標(biāo)系，稱為Ij梁單元的局部坐標(biāo)系

2.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

整體坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k]和局部坐標(biāo)系中的梁單元剛度矩陣[k′]同樣具有對稱性和奇異性，同時其內(nèi)各元素值只與梁單元的物理性質(zhì)、幾何形狀和梁單元在整體坐標(biāo)系中的位置有關(guān)。

3ANYSIS軟件有以下技術(shù)特點(diǎn)

3.1較強(qiáng)的建模能力

幾何實(shí)體一般是通過各種布爾運(yùn)算和操作建立起來的。

3.2求解能力強(qiáng)大

迭代求解器（預(yù)條件共軛梯度、不完全共軛梯度、雅可比共軛梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩陣）、特征值求解發(fā)、并行求解器（分布式并行、代數(shù)多重網(wǎng)格）等。

3.3強(qiáng)大的非線性分析能力

可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，課廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫(yī)學(xué)、和原子能等工程的分析和科學(xué)研究。

4結(jié)語

隨著工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對人才的要求也越來越高?，F(xiàn)代化的工程人才應(yīng)該擁有完整的知識結(jié)構(gòu)。不論是在工程實(shí)踐，還是理論修養(yǎng)以及計算能力上都要受到嚴(yán)格的、高水平的訓(xùn)練，三者必須具備，缺一不可，否則在以后的社會競爭中將寸步難行。計算能力的提高有很多方法，應(yīng)用大型商業(yè)通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強(qiáng)大，簡單易學(xué)，是優(yōu)選的通用程序。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾艷華.地下結(jié)構(gòu)ANYSIS有限元分析[M].中國鐵道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文庫.第五章 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構(gòu)隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.