ANYSIS軟件在地下結構中的應用

鄧明揚

摘要：地下結構泛指在地下修筑的各種結構物。地下結構和地面結構（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結構體系，但兩者之間在工作環境、力學作用機理等方面都存在著較大的區別。地下結構是處在復雜地質中的結構物，要對其進行研究，必須抽象出一些既符合實際又便于分析計算的力學模型。Anysis 軟件在力學分析中起著重大的作用，現已被設計人員廣泛采用，節省了大量的時間，提高了計算準確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應用的以及其分析力學問題的過程，重點介紹荷載—結構模型。

關鍵詞：ANYSIS；地下結構；荷載—結構模型

結構—荷載模型是我國地下結構的計算中唄廣泛的采用。此模型的優點是概念清晰，計算簡單，容易被初學者掌握。

1荷載—結構模型的發展階段

①剛性結構階段；②彈性結構階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結構力學計算模型的建立

就是將現實中的受力簡化成可以計算的數學模型，運用軟件進行受力分析計算，在保證準確的前提下，節約了大量的人力，提高了工程進度，這一步是解決問題的關鍵。

2.1結構體系的理想化

在進行有限元分析時，要對隧道結構進行理想化，就是將地下結構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（亦稱為節點）處相互連接，作用在結構上的外荷載和內力都只能通過節點進行傳遞，以節點位移來代表整個結構的變形狀態。

2.1.1支護結構理想化

由結構力學可知，一般的桿系結構常常可離散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯結點視為節點。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學特性就是荷載、結構、材料三位一體。穩定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結構有明確的荷載作用是完全不同的。但在結構設計中，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結構上，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，除了結構自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉換為等效結點荷載，作用在離散化襯砌結構的結點上，嚴格的說按靜力等效的原則進行置換，即結點荷載所做的虛功應等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準確性較差，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

用二桿系結構有限元模型分析地下結構時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節點連接，地下結構與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標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x′o′y′，這個坐標系的x′軸規定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標系，稱為Ij梁單元的局部坐標系

2.2.2坐標轉換

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

3ANYSIS軟件有以下技術特點

3.1較強的建模能力

幾何實體一般是通過各種布爾運算和操作建立起來的。

3.2求解能力強大

迭代求解器（預條件共軛梯度、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、并行求解器（分布式并行、代數多重網格）等。

3.3強大的非線性分析能力

可進行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結構、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，課廣泛應用于土木、地質、礦業、材料、機械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫學、和原子能等工程的分析和科學研究。

4結語

隨著工程科學技術的發展，對人才的要求也越來越高。現代化的工程人才應該擁有完整的知識結構。不論是在工程實踐，還是理論修養以及計算能力上都要受到嚴格的、高水平的訓練，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，應用大型商業通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強大，簡單易學，是優選的通用程序。

參考文獻

[1] 曾艷華.地下結構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 支護結構設計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結構數值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下結構泛指在地下修筑的各種結構物。地下結構和地面結構（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結構體系，但兩者之間在工作環境、力學作用機理等方面都存在著較大的區別。地下結構是處在復雜地質中的結構物，要對其進行研究，必須抽象出一些既符合實際又便于分析計算的力學模型。Anysis 軟件在力學分析中起著重大的作用，現已被設計人員廣泛采用，節省了大量的時間，提高了計算準確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應用的以及其分析力學問題的過程，重點介紹荷載—結構模型。

關鍵詞：ANYSIS；地下結構；荷載—結構模型

結構—荷載模型是我國地下結構的計算中唄廣泛的采用。此模型的優點是概念清晰，計算簡單，容易被初學者掌握。

1荷載—結構模型的發展階段

①剛性結構階段；②彈性結構階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結構力學計算模型的建立

就是將現實中的受力簡化成可以計算的數學模型，運用軟件進行受力分析計算，在保證準確的前提下，節約了大量的人力，提高了工程進度，這一步是解決問題的關鍵。

2.1結構體系的理想化

在進行有限元分析時，要對隧道結構進行理想化，就是將地下結構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（亦稱為節點）處相互連接，作用在結構上的外荷載和內力都只能通過節點進行傳遞，以節點位移來代表整個結構的變形狀態。

2.1.1支護結構理想化

由結構力學可知，一般的桿系結構常常可離散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯結點視為節點。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學特性就是荷載、結構、材料三位一體。穩定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結構有明確的荷載作用是完全不同的。但在結構設計中，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結構上，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，除了結構自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉換為等效結點荷載，作用在離散化襯砌結構的結點上，嚴格的說按靜力等效的原則進行置換，即結點荷載所做的虛功應等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準確性較差，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

用二桿系結構有限元模型分析地下結構時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節點連接，地下結構與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標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x′o′y′，這個坐標系的x′軸規定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標系，稱為Ij梁單元的局部坐標系

2.2.2坐標轉換

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

3ANYSIS軟件有以下技術特點

3.1較強的建模能力

幾何實體一般是通過各種布爾運算和操作建立起來的。

3.2求解能力強大

迭代求解器（預條件共軛梯度、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、并行求解器（分布式并行、代數多重網格）等。

3.3強大的非線性分析能力

可進行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結構、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，課廣泛應用于土木、地質、礦業、材料、機械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫學、和原子能等工程的分析和科學研究。

4結語

隨著工程科學技術的發展，對人才的要求也越來越高。現代化的工程人才應該擁有完整的知識結構。不論是在工程實踐，還是理論修養以及計算能力上都要受到嚴格的、高水平的訓練，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，應用大型商業通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強大，簡單易學，是優選的通用程序。

參考文獻

[1] 曾艷華.地下結構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 支護結構設計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結構數值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下結構泛指在地下修筑的各種結構物。地下結構和地面結構（如房屋、橋梁、水壩等）一樣，都是一種結構體系，但兩者之間在工作環境、力學作用機理等方面都存在著較大的區別。地下結構是處在復雜地質中的結構物，要對其進行研究，必須抽象出一些既符合實際又便于分析計算的力學模型。Anysis 軟件在力學分析中起著重大的作用，現已被設計人員廣泛采用，節省了大量的時間，提高了計算準確度。文章主要介紹了Anysis 軟件是如何在受力分析中應用的以及其分析力學問題的過程，重點介紹荷載—結構模型。

關鍵詞：ANYSIS；地下結構；荷載—結構模型

結構—荷載模型是我國地下結構的計算中唄廣泛的采用。此模型的優點是概念清晰，計算簡單，容易被初學者掌握。

1荷載—結構模型的發展階段

①剛性結構階段；②彈性結構階段；③假定彈性反力階段；④計算反力階段。

2結構力學計算模型的建立

就是將現實中的受力簡化成可以計算的數學模型，運用軟件進行受力分析計算，在保證準確的前提下，節約了大量的人力，提高了工程進度，這一步是解決問題的關鍵。

2.1結構體系的理想化

在進行有限元分析時，要對隧道結構進行理想化，就是將地下結構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（亦稱為節點）處相互連接，作用在結構上的外荷載和內力都只能通過節點進行傳遞，以節點位移來代表整個結構的變形狀態。

2.1.1支護結構理想化

由結構力學可知，一般的桿系結構常常可離散成桿、梁、柱單元，并將單元的聯結點視為節點。

2.1.2圍巖的理想化

隧道的一個重要的力學特性就是荷載、結構、材料三位一體。穩定的毛洞，如黃土窯洞以及一些長期存在的、沒有任何支護的洞庫等就是一個明顯的例證。這與地面結構有明確的荷載作用是完全不同的。但在結構設計中，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結構上，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，除了結構自重外，主要是圍巖壓力。把不同分布圖形的分布荷載轉換為等效結點荷載，作用在離散化襯砌結構的結點上，嚴格的說按靜力等效的原則進行置換，即結點荷載所做的虛功應等于外荷載所做的虛功。但隧道所受荷載的準確性較差，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

用二桿系結構有限元模型分析地下結構時，將隧道離散為n個梁單元，梁單元之間用節點連接，地下結構與圍巖的作用以彈簧單元表示。

2.2.1局部坐標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x′o′y′，這個坐標系的x′軸規定和梁軸線重合，x′軸正向逆時針轉90°來決定y′軸，對于每一個梁單元均有一個這樣的坐標系，稱為Ij梁單元的局部坐標系

2.2.2坐標轉換

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

3ANYSIS軟件有以下技術特點

3.1較強的建模能力

幾何實體一般是通過各種布爾運算和操作建立起來的。

3.2求解能力強大

迭代求解器（預條件共軛梯度、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、并行求解器（分布式并行、代數多重網格）等。

3.3強大的非線性分析能力

可進行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。

ANYSIS軟件是融結構、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，課廣泛應用于土木、地質、礦業、材料、機械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫學、和原子能等工程的分析和科學研究。

4結語

隨著工程科學技術的發展，對人才的要求也越來越高。現代化的工程人才應該擁有完整的知識結構。不論是在工程實踐，還是理論修養以及計算能力上都要受到嚴格的、高水平的訓練，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，應用大型商業通用程序就是其中一個方法。ANYSIS功能強大，簡單易學，是優選的通用程序。

參考文獻

[1] 曾艷華.地下結構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 支護結構設計-百度文庫.

[3] 王中順,施葉飛.盾構隧道襯砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程結構數值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.