近五十年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元計(jì)算技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了許多通用有限元計(jì)算軟件，包括ANSYS、ALGOR、ABAQUS、MSC.NASTRAN和MSC.MARC等。

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的一個(gè)大型通用有限元分析軟件，該軟件是第一個(gè)通過ISO 9001質(zhì)量認(rèn)證的大型有限元分析設(shè)計(jì)軟件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）、美國(guó)核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。ANSYS軟件能進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁以及聲學(xué)等學(xué)科的研究，廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)、水利、鐵道、交通、航天航空、船舶、機(jī)械制造、核工業(yè)和石油化工等一般工業(yè)及科學(xué)研究之中。

本書特點(diǎn)

本書以工程實(shí)例為主，深入淺出地介紹了ANSYS在隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用。首先，簡(jiǎn)要介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點(diǎn)、使用界面、在土木工程中的應(yīng)用情況以及有限元分析的基本過程實(shí)例。然后，介紹了隧道及地下工程施工和設(shè)計(jì)方法以及有限元分析方法。最后，重點(diǎn)介紹了采用ANSYS軟件進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工力學(xué)問題的工程實(shí)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(gòu)隧道的襯砌設(shè)計(jì)和施工過程力學(xué)分析。

主要內(nèi)容

本書以ANSYS軟件為平臺(tái)，全書共分10章。具體內(nèi)容安排如下：

第1章 大型有限元軟件ANSYS簡(jiǎn)介。介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點(diǎn)、使用界面、在土木工程中的應(yīng)用情況以及有限元分析的基本過程實(shí)例。

第2章 隧道及地下工程施工與設(shè)計(jì)方法。介紹了隧道及地下工程施工及設(shè)計(jì)方法，包括新奧法、明挖法、盾構(gòu)法和沉管法及其設(shè)計(jì)所用的工程類比法、載荷－結(jié)構(gòu)法和地層－結(jié)構(gòu)法。

第3章 隧道及地下工程有限元數(shù)值模擬方法。介紹了采用有限元法進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)和施工力學(xué)分析的基本原理，有限元法的起源、解析步驟及常用術(shù)語(yǔ)，可轉(zhuǎn)化為有限元法的彈性力學(xué)問題，框架結(jié)構(gòu)有限元解析（用于二次襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)），平面應(yīng)變問題有限元解析（用于施工中的圍巖穩(wěn)定性判斷）。

最后，重點(diǎn)介紹了第4章至第10章的內(nèi)容：采用ANSYS軟件進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工力學(xué)問題的工程實(shí)例分析，包括地鐵明挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、雙線鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、地鐵明挖和暗挖隧道施工過程仿真分析、地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程三維仿真分析。

本書實(shí)例全部以命令流的方式進(jìn)行講解，本書中所有實(shí)例的命令流可以到中國(guó)水利水電出版社網(wǎng)站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）免費(fèi)下載，以供學(xué)習(xí)研究之用。

讀者對(duì)象

本書以工程實(shí)例為主導(dǎo)，通俗易懂、例子豐富全面，適合作為高等學(xué)校隧道及地下工程專業(yè)的高年級(jí)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(yè)工作相關(guān)的技術(shù)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(jìn)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?shù)么�、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(wù)

為充分展現(xiàn)本書的編寫特點(diǎn)，幫助讀者深刻理解本書編寫意圖與內(nèi)涵，進(jìn)一步提高對(duì)本書的使用效率，我們建立本書使用指導(dǎo)聯(lián)絡(luò)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(huì)竭誠(chéng)為你服務(wù)。我們的聯(lián)系方式E-mail：china_54@tom.com。

編 者

2007年11月

前言
第1章 大型有限元軟件ANSYS簡(jiǎn)介 1
1.1 ANSYS軟件概述 1
1.1.1 ANSYS軟件在計(jì)算機(jī)輔助工程中的地位 1
1.1.2 ANSYS軟件的主要技術(shù)特點(diǎn) 1
1.1.3 ANSYS軟件的主要功能 2
1.1.4 安裝ANSYS軟件對(duì)系統(tǒng)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(yùn)行初始參數(shù)設(shè)置 3
1.2.3 ANSYS軟件啟動(dòng)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(yīng)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(chǔ)工程 15
1.4 ANSYS有限元分析基本過程實(shí)例 17
1.4.1 三跨連續(xù)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(jié)構(gòu)力學(xué)位移法理論計(jì)算結(jié)果比較 26
1.5 命令流程序 29
1.6 本章小結(jié) 31
第2章 隧道及地下工程施工與設(shè)計(jì)方法 33
2.1 隧道及地下工程發(fā)展概況 33
2.1.1 發(fā)展階段 33
2.1.2 隧道及地下工程的用途 34
2.1.3 可持續(xù)發(fā)展的隧道及地下工程 34
2.1.4 隧道及地下工程發(fā)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(gòu)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(shè)計(jì)方法 51
2.3.1 隧道及地下工程設(shè)計(jì)分析力學(xué)模型 51
2.3.2 工程類比法 52
2.3.3 載荷—結(jié)構(gòu)法 53
2.3.4 地層—結(jié)構(gòu)法 55
2.4 本章小結(jié) 56
第3章 隧道及地下工程有限元數(shù)值模擬方法 57
3.1 有限元法概述 57
3.1.1 有限元法的發(fā)展過程 57
3.1.2 有限元法常用術(shù)語(yǔ) 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(xué)基本方程 60
3.2.2 變分法 61
3.2.3 加權(quán)余量法 62
3.2.4 瑞利—理茲法 63
3.3 梁?jiǎn)卧�有限元解�?63
3.3.1 梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚨挠?jì)算式 64
3.3.2 總剛矩陣的計(jì)算式 64
3.3.3 等效節(jié)點(diǎn)載荷計(jì)算式 64
3.3.4 平衡方程組的求解 65
3.4 實(shí)體單元有限元解析 66
3.4.1 單元網(wǎng)格劃分 66
3.4.2 單元?jiǎng)偠染仃囃茖?dǎo) 67
3.4.3 節(jié)點(diǎn)載荷向量的計(jì)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(jié) 70
第4章 地鐵明挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析 71
4.1 明挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)力學(xué)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(jì)算結(jié)果分析 94
4.5 本章小結(jié) 95
第5章 雙線鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析 97
5.1 雙線鐵路隧道斷面設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)力學(xué)分析 105
5.3.1 材料物理力學(xué)參數(shù)和載荷計(jì)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(zhǎng)期安全性評(píng)價(jià) 117
5.5 臺(tái)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(yīng)力場(chǎng)求解 127
5.5.3 上臺(tái)階開挖模擬分析 129
5.5.4 下臺(tái)階開挖模擬分析 133
5.6 初期支護(hù)參數(shù)評(píng)價(jià) 139
5.7 本章小結(jié) 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(shè)計(jì)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(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力場(chǎng)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(wěn)定性分析及其輔助措施 279
6.5 初期支護(hù)參數(shù)評(píng)價(jià) 281
6.6 本章小結(jié) 284
第7章 高速公路連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析 285
7.1 連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 285
7.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)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(nèi)力和變形特征分析 303
7.4 本章小結(jié) 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(guó)地鐵隧道施工方法綜述 306
8.1.1 國(guó)內(nèi)外地鐵發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 306
8.1.2 地鐵的組成與特點(diǎn) 307
8.1.3 中國(guó)地鐵隧道施工方法現(xiàn)狀 307
8.2 Shell63殼單元和Solid45實(shí)體單元 308
8.2.1 Shell63殼單元 308
8.2.2 Solid45（3-D）實(shí)體單元 312
8.3 普通暗挖法施工三維數(shù)值模擬分析 315
8.3.1 工程概述 316
8.3.2 單線地鐵區(qū)間普通暗挖隧道設(shè)計(jì) 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(qū)間明挖隧道設(shè)計(jì)概述 332
8.4.2 有限元模型建立 333
8.4.3 加載與自重應(yīng)力場(chǎng)模擬 341
8.4.4 施工過程仿真分析 344
8.5 計(jì)算結(jié)果分析 379
8.6 本章小結(jié) 380
第9章 地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析 382
9.1 盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 382
9.2 模擬管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型 385
9.2.1 載荷—結(jié)構(gòu)模型 385
9.2.2 管片襯砌力學(xué)模型 386
9.3 管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)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(nèi)力和變形特征分析 401
9.5 本章小結(jié) 401
第10章 地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程三維仿真分析 402
10.1 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)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(jìn)過程三維仿真分析 409
10.3.1 加載與自重應(yīng)力場(chǎng)求解 409
10.3.2 加載與自重應(yīng)力場(chǎng)求解 411
10.4 計(jì)算結(jié)果分析 418
10.5 本章小結(jié) 423
參考文獻(xiàn) 425本書以工程實(shí)例為主，深入淺出地介紹了ANSYS在隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用。首先，介紹了大型通用有限元軟件ANSYS的基本特點(diǎn)、使用界面、在土木工程中的應(yīng)用情況以及有限元分析基本過程實(shí)例。然后，介紹了隧道及地下工程施工及設(shè)計(jì)方法，采用有限元法進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)和施工力學(xué)分析的基本原理，有限元法的起源、解析步驟及常用術(shù)語(yǔ)，可轉(zhuǎn)化為有限元法的彈性力學(xué)問題，框架結(jié)構(gòu)有限元解析，平面應(yīng)變問題有限元解析。最后，重點(diǎn)介紹了采用ANSYS軟件進(jìn)行隧道及地下工程設(shè)計(jì)與施工力學(xué)問題的工程實(shí)例分析，包括地鐵明挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、雙線鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、地鐵明挖和暗挖隧道施工過程仿真分析、地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析、地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程三維仿真分析。
本書以工程實(shí)例為主導(dǎo)，通俗易懂、例子豐富全面，適合作為高等學(xué)校隧道及地下工程專業(yè)的高年級(jí)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(yè)工作相關(guān)的技術(shù)人員和科研人員的參考用書。
　　本書提供APDL命令流，可從中國(guó)水利水電出版社網(wǎng)站下載，網(wǎng)址為：http://www.waterpub.com.cn/softdown/。

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