近五十年來，隨著計算機硬件和軟件的飛速發展和廣泛應用，有限元計算技術也得到了很大的發展，出現了許多通用有限元計算軟件，包括ANSYS、ALGOR、ABAQUS、MSC.NASTRAN和MSC.MARC等。

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發的一個大型通用有限元分析軟件，該軟件是第一個通過ISO 9001質量認證的大型有限元分析設計軟件，是美國機械工程師協會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件。ANSYS軟件能進行結構、熱、流體、電磁以及聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質、水利、鐵道、交通、航天航空、船舶、機械制造、核工業和石油化工等一般工業及科學研究之中。

本書特點

本書以工程實例為主，深入淺出地介紹了ANSYS在隧道及地下工程設計與施工中的應用。首先，簡要介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點、使用界面、在土木工程中的應用情況以及有限元分析的基本過程實例。然后，介紹了隧道及地下工程施工和設計方法以及有限元分析方法。最后，重點介紹了采用ANSYS軟件進行隧道及地下工程設計與施工力學問題的工程實例分析，包括地鐵明挖隧道、雙線鐵路隧道、高速公路分離式偏壓隧道、高速公路連拱隧道、地鐵明挖和暗挖隧道以及盾構隧道的襯砌設計和施工過程力學分析。

主要內容

本書以ANSYS軟件為平臺，全書共分10章。具體內容安排如下：

第1章 大型有限元軟件ANSYS簡介。介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點、使用界面、在土木工程中的應用情況以及有限元分析的基本過程實例。

第2章 隧道及地下工程施工與設計方法。介紹了隧道及地下工程施工及設計方法，包括新奧法、明挖法、盾構法和沉管法及其設計所用的工程類比法、載荷－結構法和地層－結構法。

第3章 隧道及地下工程有限元數值模擬方法。介紹了采用有限元法進行隧道及地下工程設計和施工力學分析的基本原理，有限元法的起源、解析步驟及常用術語，可轉化為有限元法的彈性力學問題，框架結構有限元解析（用于二次襯砌結構的設計），平面應變問題有限元解析（用于施工中的圍巖穩定性判斷）。

最后，重點介紹了第4章至第10章的內容：采用ANSYS軟件進行隧道及地下工程設計與施工力學問題的工程實例分析，包括地鐵明挖隧道襯砌結構設計力學分析、雙線鐵路隧道襯砌結構設計力學分析、高速公路分離式偏壓隧道施工過程仿真分析、高速公路連拱隧道二次襯砌結構設計力學分析、地鐵明挖和暗挖隧道施工過程仿真分析、地鐵盾構隧道管片結構設計力學分析、地鐵盾構隧道掘進施工過程三維仿真分析。

本書實例全部以命令流的方式進行講解，本書中所有實例的命令流可以到中國水利水電出版社網站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）免費下載，以供學習研究之用。

讀者對象

本書以工程實例為主導，通俗易懂、例子豐富全面，適合作為高等學校隧道及地下工程專業的高年級本科生、研究生、博士生和教師的教材，也可用作科研院所以及從事與隧道及地下工程專業工作相關的技術人員和科研人員的參考用書。

編者與致謝

本書由李圍編著，冼進審校。另外，參與本書編寫工作的還有鄒素瓊、趙秋云、趙繼軍、彭藝、曲輝輝、周章、蔣波、徐留旺、曹振宇、張婷、溫凌霜、魯得翠、蔣澤平、魏樂、韓翔、程小英、譚小麗、盧麗娟、李小瓊等，在此一并表示感謝！

配套服務

為充分展現本書的編寫特點，幫助讀者深刻理解本書編寫意圖與內涵，進一步提高對本書的使用效率，我們建立本書使用指導聯絡方式，是讀者與編者之間交流溝通的直通車。歡迎讀者將圖書使用過程中的問題與各種探討、建議反饋給我們，本書編者會竭誠為你服務。我們的聯系方式E-mail：[email protected]。

編 者

2007年11月

前言
第1章 大型有限元軟件ANSYS簡介 1
1.1 ANSYS軟件概述 1
1.1.1 ANSYS軟件在計算機輔助工程中的地位 1
1.1.2 ANSYS軟件的主要技術特點 1
1.1.3 ANSYS軟件的主要功能 2
1.1.4 安裝ANSYS軟件對系統的要求 2
1.2 ANSYS使用介紹 3
1.2.1 安裝過程 3
1.2.2 ANSYS運行初始參數設置 3
1.2.3 ANSYS軟件啟動與退出 6
1.2.4 ANSYS軟件使用界面 7
1.3 ANSYS軟件在土木工程中的應用概況 9
1.3.1 橋梁工程 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 邊坡工程 15
1.3.5 基礎工程 15
1.4 ANSYS有限元分析基本過程實例 17
1.4.1 三跨連續梁受力分析 17
1.4.2 前處理 17
1.4.3 加載與求解 22
1.4.4 后處理 24
1.4.5 與結構力學位移法理論計算結果比較 26
1.5 命令流程序 29
1.6 本章小結 31
第2章 隧道及地下工程施工與設計方法 33
2.1 隧道及地下工程發展概況 33
2.1.1 發展階段 33
2.1.2 隧道及地下工程的用途 34
2.1.3 可持續發展的隧道及地下工程 34
2.1.4 隧道及地下工程發展概況 35
2.2 隧道及地下工程施工方法概述 36
2.2.1 新奧法 36
2.2.2 淺埋暗挖法 40
2.2.3 明挖法及其變種方法 41
2.2.4 盾構法 42
2.2.5 沉管法 46
2.2.6 輔助工法 48
2.3 隧道及地下工程設計方法 51
2.3.1 隧道及地下工程設計分析力學模型 51
2.3.2 工程類比法 52
2.3.3 載荷—結構法 53
2.3.4 地層—結構法 55
2.4 本章小結 56
第3章 隧道及地下工程有限元數值模擬方法 57
3.1 有限元法概述 57
3.1.1 有限元法的發展過程 57
3.1.2 有限元法常用術語 58
3.1.3 有限元法解析步驟 59
3.2 有限元法原理 60
3.2.1 彈性力學基本方程 60
3.2.2 變分法 61
3.2.3 加權余量法 62
3.2.4 瑞利—理茲法 63
3.3 梁單元有限元解析 63
3.3.1 梁單元剛度矩陣的計算式 64
3.3.2 總剛矩陣的計算式 64
3.3.3 等效節點載荷計算式 64
3.3.4 平衡方程組的求解 65
3.4 實體單元有限元解析 66
3.4.1 單元網格劃分 66
3.4.2 單元剛度矩陣推導 67
3.4.3 節點載荷向量的計算式 69
3.4.4 平衡方程組的建立 69
3.4.5 方程組的求解與后處理 69
3.5 本章小結 70
第4章 地鐵明挖隧道襯砌結構設計力學分析 71
4.1 明挖隧道襯砌結構設計概述 71
4.2 Beam3和Combin14單元 73
4.2.1 Beam3單元 73
4.2.2 Combin14單元 77
4.3 襯砌結構力學有限元分析過程 79
4.3.1 前處理 79
4.3.2 加載與求解 84
4.3.3 后處理 86
4.4 計算結果分析 94
4.5 本章小結 95
第5章 雙線鐵路隧道襯砌結構設計力學分析 97
5.1 雙線鐵路隧道斷面設計概述 97
5.2 Plane42和Link單元 99
5.2.1 Link單元 100
5.2.2 Plane42單元 102
5.3 二次襯砌結構力學分析 105
5.3.1 材料物理力學參數和載荷計算 105
5.3.2 前處理 106
5.3.3 加載與求解 110
5.3.4 后處理 112
5.4 隧道長期安全性評價 117
5.5 臺階法施工過程仿真分析 118
5.5.1 前處理 118
5.5.2 加載與自重應力場求解 127
5.5.3 上臺階開挖模擬分析 129
5.5.4 下臺階開挖模擬分析 133
5.6 初期支護參數評價 139
5.7 本章小結 140
第6章 高速公路分離式偏壓隧道施工過程仿真分析 141
6.1 高速公路分離式偏壓隧道設計概述 141
6.2 施工過程仿真分析 145
6.2.1 前處理 145
6.2.2 加載與自重應力場求解 159
6.2.3 先左洞后右洞開挖模擬分析 160
6.2.4 先右洞后左洞開挖模擬分析 198
6.2.5 帶加固措施條件下自重應力場分析 236
6.2.6 回填加固開挖模擬分析 240
6.3 施工順序確定 278
6.4 圍巖穩定性分析及其輔助措施 279
6.5 初期支護參數評價 281
6.6 本章小結 284
第7章 高速公路連拱隧道二次襯砌結構設計力學分析 285
7.1 連拱隧道二次襯砌結構設計概述 285
7.2 二次襯砌結構力學分析過程 287
7.2.1 前處理 287
7.2.2 加載與求解 293
7.2.3 后處理 297
7.3 內力和變形特征分析 303
7.4 本章小結 305
第8章 地鐵明挖和暗挖隧道施工過程仿真分析 306
8.1 中國地鐵隧道施工方法綜述 306
8.1.1 國內外地鐵發展歷史及現狀 306
8.1.2 地鐵的組成與特點 307
8.1.3 中國地鐵隧道施工方法現狀 307
8.2 Shell63殼單元和Solid45實體單元 308
8.2.1 Shell63殼單元 308
8.2.2 Solid45（3-D）實體單元 312
8.3 普通暗挖法施工三維數值模擬分析 315
8.3.1 工程概述 316
8.3.2 單線地鐵區間普通暗挖隧道設計 317
8.3.3 有限元模型的建立 318
8.3.4 加載與求解 326
8.3.5 后處理 328
8.4 明挖法施工過程仿真分析 332
8.4.1 單線地鐵區間明挖隧道設計概述 332
8.4.2 有限元模型建立 333
8.4.3 加載與自重應力場模擬 341
8.4.4 施工過程仿真分析 344
8.5 計算結果分析 379
8.6 本章小結 380
第9章 地鐵盾構隧道管片結構設計力學分析 382
9.1 盾構隧道管片襯砌結構設計概述 382
9.2 模擬管片襯砌結構的力學模型 385
9.2.1 載荷—結構模型 385
9.2.2 管片襯砌力學模型 386
9.3 管片襯砌結構力學分析過程 387
9.3.1 前處理 387
9.3.2 加載與求解 392
9.3.3 后處理 395
9.4 內力和變形特征分析 401
9.5 本章小結 401
第10章 地鐵盾構隧道掘進施工過程三維仿真分析 402
10.1 盾構隧道掘進施工模擬方法 402
10.2 工程概述及有限元模型的建立 403
10.3 掘進過程三維仿真分析 409
10.3.1 加載與自重應力場求解 409
10.3.2 加載與自重應力場求解 411
10.4 計算結果分析 418
10.5 本章小結 423
參考文獻 425本書以工程實例為主，深入淺出地介紹了ANSYS在隧道及地下工程設計與施工中的應用。首先，介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點、使用界面、在土木工程中的應用情況以及有限元分析基本過程實例。然后，介紹了隧道及地下工程施工及設計方法，采用有限元法進行隧道及地下工程設計和施工力學分析的基本原理，有限元法的起源、解析步驟及常用術語，可轉化為有限元法的彈性力學問題，框架結構有限元解析，平面應變問題有限元解析。最后，重點介紹了采用ANSYS軟件進行隧道及地下工程設計與施工力學問題的工程實例分析，包括地鐵明挖隧道襯砌結構設計力學分析、雙線鐵路隧道襯砌結構結構設計力學分析、高速公路分離式偏壓隧道施工過程仿真分析、高速公路連拱隧道二次襯砌結構設計力學分析、地鐵明挖和暗挖隧道施工過程仿真分析、地鐵盾構隧道管片結構設計力學分析、地鐵盾構隧道掘進施工過程三維仿真分析。
本書以工程實例為主導，通俗易懂、例子豐富全面，適合作為高等學校隧道及地下工程專業的高年級本科生、研究生、博士生和教師的教材，也可用作科研院所以及從事與隧道及地下工程專業工作相關的技術人員和科研人員的參考用書。
　　本書提供APDL命令流，可從中國水利水電出版社網站下載，網址為：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

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