一种用于圆形过水隧洞衬砌结构的综合量化设计方法与流程

专利2022-05-10  2



1.本发明涉及一种综合量化设计方法,尤其是涉及一种用于圆形过水隧洞衬砌结构的综合量化设计方法,属于水利水电工程建筑物设计工艺技术领域。


背景技术:

2.术语
3.隧洞:工程中在山体或地下开挖的,用于输水、发电、灌溉、泄洪、导流、放空、排沙等具有封闭断面的过水通道。
4.水工隧洞:水电水利工程中设置于岩(土)体中的,用于输水、发电、灌溉、泄洪、导流、放空、排沙等且具有封闭断面的通道。
5.隧洞衬砌:在地下工程中,为了加固围岩或平整过流面,采用混凝土、钢筋混凝土等材料进行支护的工程措施。
6.隧洞作为重要的水工建筑物,其结构设计安全可靠性直接影响到电站经济效益、社会用水的安全性等方面,而衬砌若发生强透水则可能引发严重次生地质灾害。因此输水隧洞结构运行的可靠性直接影响到众多的社会经济效益。长引水隧洞往往洞线较长,沿线地质条件复杂多变,对于动则十几公里甚至数十公里的引水隧洞,其安全可靠、因地制宜、经济合理的衬砌结构设计将很大程度上决定工程的经济和安全运行。
7.传统采用结构力学方法进行隧洞衬砌结构计算时,无法考虑洞周围岩的实际结构,在衬砌与围岩间传力模式及衬砌开裂损伤方面考虑也比较粗糙;常用的衬砌数值计算方法虽能弥补上述缺陷,但计算周期往往较长,长隧洞衬砌设计计算仍主要采用分段典型断面方式,存在针对性偏低的问题。
8.在水利水电工程中,由于取水地与用水地常常不一致,需要修建输水建筑物以实现引导水流,隧洞作为过水通道被大量使用。为保证隧洞在荷载作用下安全可靠发挥过水功能,常常需要对隧洞进行断面衬砌,该衬砌的设计是隧洞设计的关键部分,直接影响隧洞的安全、可靠及经济性。隧洞的使用实例已经很多,开挖直径已经达到19.8m,此处不再举例说明。隧洞的衬砌结构直接关系到隧洞运行的安全性,而隧洞衬砌结构的设计直接而言就是混凝土标号及厚度的选择、钢筋用量的选择,并且需要验算衬砌裂缝开展情况。隧洞衬砌结构目前考虑的荷载主要有:自重、内水压力、外水压力、山岩压力,由于隧洞埋于地下,温度较为恒定,故一般不考虑温度荷载,地下结构受地震影响较小,也不考虑地震荷载。不恰当的隧洞衬砌结构设计方案常常带来工程质量、安全问题。如若衬砌强度设计得不够,会带来内水压力作用下衬砌开裂超过规范允许标准,造成内水外渗,对隧洞上覆边坡带来稳定隐患;在外水作用下,隧洞有可能直接被压垮的情况。但是将隧洞衬砌的强度设计得过高,直接造成隧洞造价上升,对于长引水隧洞而言将直接影响整个工程的经济指标。目前关于该结构的设计方法主要有两种:一种是依据水文地质资料,对于已经拟定的隧洞设计方案,根据荷载按照规范的解析方法进行验证设计方案的合理性;另一种是依据水文地质资料,对于已经拟定的隧洞设计方案,根据有限元程序计算的结果判断设计方案的合理性。
9.对于按照规范的解析方法,其技术缺点如下:针对衬砌同时承受自重、内水压力、外水压力、山岩压力,规范方法目前无推荐的解析计算方法;实际施工过程中衬砌与围岩之间存在缝隙,该缝隙的存在对衬砌受力影响较大,规范方法无法考虑此缝隙的影响;隧洞所遭遇的地质条件是十分复杂的,往往并不是均一的地质条件,当隧洞遭遇断层斜交的时候,规范方法也无推荐的解析计算方法。
10.对于按照有限元的计算的方法,其技术缺点如下:目前使用有限元计算手段对隧洞衬砌设计的评价标准较为粗糙,具体而言是看衬砌结构的第一主应力、第三主应力是否符合规范对于衬砌结构的限值标准,但是对于关键的配筋量如何确定、裂缝开展是否符合规范限值,无法量化评价;目前有限元方法依旧停留在人工操作阶段,效率低。
11.综上所述,提出新的隧洞衬砌设计方法并提升设计效率及针对性均具有重要意义!


技术实现要素:

12.本发明所要解决的技术问题是:提供一种能方便的实现对过水隧洞的衬砌结构进行准确、高效设计,简化设计验证过程中,保证设计符合要求的用于圆形过水隧洞衬砌结构的综合量化设计方法。
13.为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种用于圆形过水隧洞衬砌结构的综合量化设计方法,所述的综合量化设计方法至少包括建立综合量化设计平台、在综合量化设计平台上依据已有水文地质资料初拟衬砌参数、调用有限元计算程序完成有限元计算、依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求几个步骤,
14.其中,在进行设计成果判断时至少应满足以下条件,
15.σ
1max
≤f
t

16.σ
3max
≤f
c

17.σ
sk
(n;m)≤f
y

18.σ
sk
(n;m)≤f
y’;
19.ω
max
=α
cr
ψ(σ
sk

σ0)/e
s
l
cr
≤ω
lim

20.上述条件式中,
21.σ
1max
为有限元计算结果中,衬砌结构的最大第一主应力,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
22.f
t
为衬砌混凝土的设计抗拉强度,属于设计基础资料,从规范中查询;
23.σ
3max
为有限元计算结果中,衬砌结构的第三主应力最小值的绝对值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
24.f
c
为衬砌混凝土的设计抗压强度,属于设计基础资料,从规范中查询;
25.n为有限元计算结果中,典型截面的轴力值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
26.m为有限元计算结果中,典型截面的弯矩值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
27.σ
sk
为根据衬砌厚度、钢筋配量、n、m,按照规范计算方法得到的钢筋应力,该计算公式在《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009)中10.2.3节已有阐述;
28.ω
max
为根据钢筋应力及衬砌厚度、衬砌混凝土标号、钢筋用量、钢筋标号计算得到的裂缝宽度,该计算公式在《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009)中10.2.2节已有阐述;
29.ω
lim
为根据水文地质资料,所直接确定的裂缝开展最大宽度限值。
30.进一步的是,依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数符合要求后还需要进行地质条件有无变化判断,当地质条件无变化时方可确定为设计计算验证工作完成,当地质条件发生变化时则需要重新拟定衬砌参数并进行有限元计算,然后再次进行初拟衬砌参数判定。
31.上述方案的优选方式是,依据已有水文地质资料初拟的衬砌参数至少应该包括隧洞开挖直径d、隧洞衬砌厚度h、衬砌用混凝土标号和钢筋规格,并在此基础上确定需要进行有限元计算的混凝土设计抗拉强度f
t
、混凝土设计抗压强度f
c
、钢筋设计抗拉强度f
y
和钢筋设计抗压强度f
y’。
32.进一步的是,在初拟衬砌参数时同时初步确定衬砌与围岩间的缝隙值δ,其中所述的缝隙值确定为δ=0或0.2


33.上述方案的优选方式是,在综合量化设计平台上调用有限元计算程序完成有限元计算时至少应该包括建立有限元计算模型、划分网格、赋计算参数和完成有限元计算几个步骤,所述的建立模型、划分网格、赋计算参数以及完成有限元计算均是在综合量化设计平台上通过内部代码调用外部有限元计算程序自动完成。
34.进一步的是,在建立有限元计算模型时直接考虑衬砌与围岩间的缝隙,并直接将断层模型建立在计算模型中,以解决叠加考虑衬砌自重、内水压力、外水压力以及山岩压力的荷载组合问题。
35.上述方案的优选方式是,依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求前需要通过综合量化设计平台取回有限元计算结果,取回有限元计算结果是按下述步骤进行的,
36.以综合量化设计平台保存的衬砌结构计算数据为依据,在衬砌的典型部位至少设定拱顶截面、拱顶向下45
°
截面、中心线处截面、拱底截面以及拱底向上45
°
截面的几个计算关键截面,然后再在所选定的截面上利用局部坐标系方法提取相应截面的轴力n、弯矩m,最后对所有衬砌节点通过遍历的方法找到节点的最大第一主应力σ
1max
,用同样的方法找到衬砌节点的最小第三主应力的绝对值σ
3max
完成计算成果的取回工作,
37.其中上述的各个截面均以圆形过水隧洞横截面的几何中心点为圆心点建立的十字座标为基础,然后使各个截面均通过圆心点沿纵向切割衬砌形成的截面。
38.进一步的是,取回有限元计算结果后,根据该有限元计算结果评价设计方案是否满足强度要求,其具体过程中如下,
39.σ
1max
≤f
t
,其中σ
1max
为衬砌的最大第一主应力,f
t
为混凝土的设计抗拉强度;
40.σ
3max
≤f
c
,其中σ
3max
为衬砌的最小第三主应力的绝对值,f
c
为混凝土的设计抗压强度;
41.根据提取的关键截面的轴力n、弯矩m,结合设计选用的衬砌方案以及计算获得的所选钢筋的钢筋应力σ
sk
,满足钢筋应力不高于钢筋的设计抗拉强度和设计抗压强度;
42.得到钢筋应力σ
sk
后依据综合量化设计平台计算获得的衬砌裂缝开展量ω
max
,满足
裂缝开展量ω
max
不高于规范所限定裂缝限值ω
lim

43.进一步的是,待“初拟衬砌参数”经综合量化设计平台计算并比较判断符合要求后,还可以重复上述步骤完成如降低衬砌厚度h,减少选用钢筋量的隧洞衬砌设计方案优化工作。
44.本发明的有益效果是:本技术提供的综合量化设计方法以现有的有限元计算程序为基础,通过建立综合量化设计平台,然后以该将综合量化设计平台为基础,将根据已有水文地质资料初拟衬砌参数输入所述的综合量化设计平台上,再通过综合量化设计平台调用有限元计算程序对初拟衬砌进行有限元计算,最后根据要求判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求即可方便的实现对过水隧洞的衬砌结构进行高效设计,简化设计验证过程中,保证设计符合要求。根据本提供的技术方案可知,本技术提供的综合量化设计方法整合了有限元计算手段以及规范解析方法,提出了新的衬砌设计技术方法,实出了隧洞衬砌设计的标准化。具体而言,主要解决的技术问题有:

在衬砌结构承受自重、内水压力、外水压力、山岩压力的叠加组合时,仍能够按此方法进行量化设计计算;

设计分析中量化考虑衬砌与围岩之间的缝隙;

隧洞遭遇断层斜交的时候,依旧可以使用本方法进行量化设计分析;

运用此方法,可以进一步地利用有限元计算成果,与衬砌配筋设计、裂缝开展量化分析结合起来,提高隧洞衬砌设计的准确性和经济性。
附图说明
45.图1~图7为本发明的综合量化设计方法利用本技术提供的综合量化设计平台设计有断层情况的衬砌结构步骤示意图;
46.图8为本发明的综合量化设计方法涉及到的典型截面的位置示意图;
47.图9为本发明的综合量化设计方法涉及到的隧洞衬砌设计方法流程图。
具体实施方式
48.如图1~图9所示是本发明提供的一种能方便的实现对过水隧洞的衬砌结构进行高效设计,简化设计验证过程中,保证设计符合要求的用于圆形过水隧洞衬砌结构的综合量化设计方法。所述的综合量化设计方法至少包括建立综合量化设计平台、在综合量化设计平台上依据已有水文地质资料初拟衬砌参数、调用有限元计算程序完成有限元计算、依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求几个步骤,
49.其中,在进行设计成果判断时至少应满足以下条件,
50.σ
1max
≤f
t

51.σ
3max
≤f
c

52.σ
sk
(n;m)≤f
y

53.σ
sk
(n;m)≤f
y’;
54.ω
max
=α
cr
ψ(σ
sk

σ0)/e
s
l
cr
≤ω
lim

55.上述条件式中,
56.σ
1max
为有限元计算结果中,衬砌结构的最大第一主应力,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
57.f
t
为衬砌混凝土的设计抗拉强度,属于设计基础资料,从规范中查询;
58.σ
3max
为有限元计算结果中,衬砌结构的第三主应力最小值的绝对值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取;
59.f
c
为衬砌混凝土的设计抗压强度,属于设计基础资料,从规范中查询;
60.n为有限元计算结果中,典型截面的轴力值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取,现有技术均使用结构计算方法获得此值,本方法提出使用有限元计算成果值,更准确;
61.m为有限元计算结果中,典型截面的弯矩值,可以通过平台从有限元计算结果里直接查取,现有技术均使用结构计算方法获得此值,本方法提出使用有限元计算成果值,更准确;
62.σ
sk
为根据衬砌厚度、钢筋配量、n、m,按照规范计算方法得到的钢筋应力,该计算公式在《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009)中10.2.3节已有阐述;
63.ω
max
为根据钢筋应力及衬砌厚度、衬砌混凝土标号、钢筋用量、钢筋标号计算得到的裂缝宽度,该计算公式在《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009)中10.2.2节已有阐述;
64.ω
lim
为根据水文地质资料,所直接确定的裂缝开展最大宽度限值。本技术提供的综合量化设计方法以现有的有限元计算程序为基础,通过建立综合量化设计平台,然后以该将综合量化设计平台为基础,将根据已有水文地质资料初拟衬砌参数输入所述的综合量化设计平台上,再通过综合量化设计平台调用有限元计算程序对初拟衬砌进行有限元计算,最后根据要求判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求即可方便的实现对过水隧洞的衬砌结构进行高效设计,简化设计验证过程中,保证设计符合要求。根据本提供的技术方案可知,本技术提供的综合量化设计方法整合了有限元计算手段以及规范解析方法,提出了新的衬砌设计技术方法,实出了隧洞衬砌设计的标准化。具体而言,主要解决的技术问题有:

在衬砌结构承受自重、内水压力、外水压力、山岩压力的叠加组合时,仍能够按此方法进行量化设计计算;

设计分析中量化考虑衬砌与围岩之间的缝隙;

隧洞遭遇断层斜交的时候,依旧可以使用本方法进行量化设计分析;

运用此方法,可以进一步地利用有限元计算成果,与衬砌配筋设计、裂缝开展量化分析结合起来,提高隧洞衬砌设计的准确性和经济性。
65.再结合衬砌结构设计的实现状况,为了最大限度的获得安全、可靠的衬砌结构,本技术依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数符合要求后还需要进行地质条件有无变化判断,当地质条件无变化时方可确定为设计计算验证工作完成,当地质条件发生变化时则需要重新拟定衬砌参数并进行有限元计算,然后再次进行初拟衬砌参数判定。根据设计要求,本技术依据已有水文地质资料初拟的衬砌参数至少应该包括隧洞开挖直径d、隧洞衬砌厚度h、衬砌用混凝土标号和钢筋规格,并在此基础上确定需要进行有限元计算的混凝土设计抗拉强度f
t
、混凝土设计抗压强度f
c
、钢筋设计抗拉强度f
y
和钢筋设计抗压强度f
y’。此时,在初拟衬砌参数时同时初步确定衬砌与围岩间的缝隙值δ,其中所述的缝隙值确定为δ=0或0.2


66.进一步的,在利用本技术的综合量化设计平台进行衬砌结构设计计算时,在综合量化设计平台上调用有限元计算程序完成有限元计算时至少应该包括建立有限元计算模型、划分网格、赋计算参数和完成有限元计算几个步骤,所述的建立模型、划分网格、赋计算
参数以及完成有限元计算均是在综合量化设计平台上通过内部代码调用外部有限元计算程序自动完成。并且在建立有限元计算模型时直接考虑衬砌与围岩间的缝隙,并直接将断层模型建立在计算模型中,以解决叠加考虑衬砌自重、内水压力、外水压力以及山岩压力的荷载组合问题。依据有限元计算结果判断初拟衬砌参数是否满足设计成果要求前需要通过综合量化设计平台取回有限元计算结果,取回有限元计算结果是按下述步骤进行的,
67.以综合量化设计平台保存的衬砌结构计算数据为依据,在衬砌的典型部位至少设定拱顶截面、拱顶向下45
°
截面、中心线处截面、拱底截面以及拱底向上45
°
截面的几个计算关键截面,然后再在所选定的截面上利用局部坐标系方法提取相应截面的轴力n、弯矩m,最后对所有衬砌节点通过遍历的方法找到节点的最大第一主应力σ
1max
,用同样的方法找到衬砌节点的最小第三主应力的绝对值σ
3max
完成计算成果的取回工作,
68.其中上述的各个截面均以圆形过水隧洞横截面的几何中心点为圆心点建立的十字座标为基础,然后使各个截面均通过圆心点沿纵向切割衬砌形成的截面。取回有限元计算结果后,根据该有限元计算结果评价设计方案是否满足强度要求,其具体过程中如下,
69.σ
1max
≤f
t
,其中σ
1max
为衬砌的最大第一主应力,f
t
为混凝土的设计抗拉强度;
70.σ
3max
≤f
c
,其中σ
3max
为衬砌的最小第三主应力的绝对值,f
c
为混凝土的设计抗压强度;
71.根据提取的关键截面的轴力n、弯矩m,结合设计选用的衬砌方案以及计算获得的所选钢筋的钢筋应力σ
sk
,满足钢筋应力不高于钢筋的设计抗拉强度和设计抗压强度;
72.得到钢筋应力σ
sk
后依据综合量化设计平台计算获得的衬砌裂缝开展量ω
max
,满足裂缝开展量ω
max
不高于规范所限定裂缝限值ω
lim
。待“初拟衬砌参数”经综合量化设计平台计算并比较判断符合要求后,还可以重复上述步骤完成如降低衬砌厚度h,减少选用钢筋量的隧洞衬砌设计方案优化工作。
73.具体实施例
74.本衬砌设计方法主要依托于有限元计算原理、规范提出的衬砌设计标准展开。
75.水文地质资料作为任何设计工作的基础资料,已经由上一阶段的专业工作提供,当在进行衬砌设计工作时,该资料已经得到。通过水文地质资料,可以初步获得衬砌结构的围岩压力、内水压力、外水压力、衬砌与围岩间的初始缝隙,例如常将施工缝隙考虑为0.2mm。在此阶段也确定了衬砌裂缝开展限值标准,若有断层影响的话,也确定了断层的结构参数、物理力学参数。
76.需要说明的是:
77.①
施工缝隙考虑为0.2mm,是规范的建议值,并且该值是施工完成以后的一个经验值。
78.②
因为水文地质资料是设计工作的基础资料,是由上一阶段的专业直接提供的,一般结构设计工作者直接使用水文地质资料,岩石的物理力学参数、断层的结构参数、断层的物理力学参数是直接可以从水文地质资料中的文字、表格中直接读到的。
79.③
有限元计算原理或公式展示如下。有限元计算原理已经发表多年,得到工程界结构计算的广泛认可。线弹性有限元基于弹性力学变分原理得到弹性力学问题有限单元表达形式。线弹性有限元的基本思路是:将较大的连续域离散为有限个简单几何形状的单元,后用单元节点未知量来表示单元的材料性质与控制方程,然后对单元集成、荷载和约束条
件进行处理得到方程组,最后求解方程组得到近似解。在求解过程中形成单元刚度矩阵和整体刚度矩阵是上述过程中的最重要部分。
80.④
衬砌结构设计过程。对于衬砌结构设计而言,首先需要进行承载能力设计,即设计方案的衬砌应当在承受荷载时强度满足要求,此阶段主要验证设计方案是否满足图9所示“设计成果判断”的前4个条件。其次需要进行正常使用极限状态设计,即设计方案在荷载作用下不会产生不符合规范限值的裂缝值,此阶段主要验证设计方案是否满足图9所示“设计成果判断”的第5个条件。
81.有限元计算原理或公式如下:
82.a.偏心受压截面的承载能力验算公式如下:
[0083][0084][0085][0086]
e0=m/n
[0087]
b1.小偏心受拉截面的承载能力验算公式如下:
[0088][0089][0090]
b2.大偏心受拉截面的承载能力验算公式如下:
[0091][0092][0093]
c.截面正常使用极限状态验算公式如下:
[0094]
ω
max
≤ω
lim
[0095][0096]
根据水文地质资料,通过本方法可以选定隧洞开挖直径d、隧洞衬砌厚度h、衬砌用混凝土标号、钢筋规格,在此环节也就确定了有限元计算的材料参数,强度控制参数,如混凝土的设计抗拉强度ft,混凝土的设计抗压强度fc,钢筋的设计抗拉强度fy,钢筋的设计抗压强度fy’等。确定出衬砌与围岩间的缝隙值δ。
[0097]
需要说明的是:初步选定隧洞开挖直径d、隧洞衬砌厚度h、衬砌用混凝土标号、钢筋规格的时候可以凭借设计人员经验,选择常见的参数。因为此时处于方案拟定的阶段,必须先人为初拟以上参数方可进行下一阶段工作。衬砌与围岩间的缝隙值δ的选择可以根据前述的水文地质资料直接选取,此方法给出建议值即0.2mm或0mm。
[0098]
由于本方法平台已经将基本设计资料保存于平台中,之后利用本方法平台调用有
限元程序进行建立模型、划分网格、赋计算参数、完成有限元计算。这几步的工作均由本方法平台调用有限元程序完成。建立有限元计算模型的时候直接考虑衬砌与围岩间的缝隙,直接讲断层模型(若存在)建立在计算模型中。至此解决了叠加考虑衬砌自重、内水压力、外水压力、山岩压力的荷载组合的问题。解决了设计分析中量化考虑衬砌与围岩之间的缝隙的问题。解决了隧洞遭遇断层斜交的时候,量化设计分析的问题。
[0099]
需要说明的是:建立模型、划分网格、赋计算参数、完成有限元计算属于本方法平台使用本平台内部代码调用外部有限元程序自动完成,关键是为了实现建立模型、划分网格、赋计算参数、完成有限元计算这些环节自动化完成,以便于程序下一步自动取回有限元成果。
[0100]
接下来利用本方法平台从有限元程序中取回计算结果:通过本方法平台保存的衬砌结构数据,在衬砌的典型部位设定计算关键截面,具体的关键截面如图8所示,例如拱顶截面、拱顶向下45
°
截面、中心线处截面、拱底截面、拱底向上45
°
截面;在所选定的截面利用局部坐标系的方法提取该截面的轴力n、弯矩m;对所有衬砌节点通过遍历的方法找到节点的最大第一主应力σ1max,用同样的方法找到衬砌节点的最小第三主应力的绝对值σ3max。
[0101]
接下来是本设计方法评价设计方案是否满足强度要求的环节,也是本设计方法的关键:σ1max≤ft,即衬砌的最大第一主应力必须不高于混凝土的设计抗拉强度;σ3max≤fc,即衬砌的最小第三主应力的绝对值必须不高于混凝土的设计抗压强度;根据提取的关键截面的轴力n、弯矩m,结合设计选用衬砌方案,本方法平台可计算出所选用钢筋的钢筋应力σsk,钢筋应力必须不高于钢筋的设计抗拉强度、抗压强度;得到钢筋应力σsk后,本方法平台可计算出衬砌裂缝开展量ωmax,裂缝开展量ωmax必须不高于规范所限定裂缝限值ωlim。至此,解决了将有限元计算成果用于量化配筋量、裂缝开展量的问题。以上所述的内容即图1所示“设计成果评判”的工作内容,所述条件必须全部满足,否则重新拟定设计方案再次验算。
[0102]
若“初拟衬砌参数”中的隧洞衬砌设计方案全部满足“设计成果评判”中的条件,则该隧洞衬砌设计方案满足规范的承载能力、正常使用要求,设计流程结束。但是仍然可以继续使用本方法优化隧洞衬砌设计方案,如降低衬砌厚度h,减少选用钢筋量。
[0103]
实施例一
[0104]
本发明的目的就是,通过整合有限元计算手段以及规范解析方法,提出新的衬砌设计技术方法,将隧洞衬砌设计进行标准化。具体而言,本发明内容要解决的技术问题为:

在衬砌结构承受自重、内水压力、外水压力、山岩压力的叠加组合时,仍能够按此方法进行量化设计计算;

设计分析中量化考虑衬砌与围岩之间的缝隙;

隧洞遭遇断层斜交的时候,依旧可以使用本方法进行量化设计分析;

运用此方法,可以进一步地利用有限元计算成果,与衬砌配筋设计、裂缝开展量化分析结合起来。通过解决以上的技术问题,提高隧洞衬砌设计的准确性、经济性。
[0105]
如图1~图7所示是本发明提供的一种操作方便、自动化程度高,既能提高仿真分析精度,又能尽量避免出错误的一种圆形过水隧洞衬砌结构设计方法。所述的设计方法包括以下步骤,
[0106]
a)软件开发,开发包含有基础资料输入模块、初拟衬砌模块、cae建模计算模块和设计成果分析评价模块的软件平台;
[0107]
b)水文地质资料属于设计输入资料,由上游专业向设计人员提供,设计人员直接填入平台使用,如果有断层切割存在的话,断层的地质信息资料也应当列出,如图1所示;
[0108]
c)初拟衬砌参数阶段,设计人员需预先设定隧洞内直径、衬砌厚度、衬砌与围岩间隙值,以上3个值由设计人员设计,衬砌混凝土材料参数、钢筋材料参数设计人员需从已有材料选取,然后直接取用参数具体可参见规范《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009),围岩压力计取可参考规范《水工隧洞设计规范》(nb/t 10391

2020),如图2所示;
[0109]
d)设计人员根据初拟衬砌参数,设计有限元计算模型的尺度,一般从隧洞中心线到围岩的边界距离不低于3~5倍隧洞直径,断层信息属于基础资料,在a)中完成,如图3所示,利用本平台调用外部程序完成建立隧洞计算分析物理模型,该模型包含衬砌、围岩地质信息,并考虑衬砌与围岩间隙(如有)、断层(如有)地质信息,如图4所示;
[0110]
e)调用cae程序,建立隧洞计算模型并完成有限元计算,如图6所示,调回有限元成果,该过程全程由软件平台后台完成,无需人工干涉,如图5所示,;
[0111]
f)根据调回的有限元计算结果,复核计算设计成果的合理性。将有限元计算成果中关键截面的轴力n、弯矩m,结合理论计算公式(参见规范《水工混凝土结构设计规范》(dl/t5057

2009)),提出本方法的配筋计算量,并量化给出裂缝开展宽度,如图7所示。
[0112]
需要说明的一点是,本平台所使用和/或开发软件为visual basic6.0,它是由软件开发公司根据客户提供的技术要求开发获得的能实现相应功能和目的软件,其运行平台为windows。
[0113]
本发明的有益效果是:1、本方法将“地质专业提供围岩条件及地质参数

设计人员初拟衬砌参数

建立结构模型

划分网格

输入计算参数

应力计算

成果整理

截面验算及配筋计算”这一流程集成到一平台,降低了设计人员操作的人工设计偏差。2、本方法可以考虑地质断层、衬砌与围岩间缝隙、可考虑包含山岩压力在内的复杂工况。3、本方法比传统技术路线适用性广、精度高、效率高。4、本方法提出将有限元计算结果与规范提出的配筋计算、裂缝开展计算相结合的方法,最后得到本方法的配筋结果、裂缝开展计算结果。
转载请注明原文地址: https://doc.8miu.com/read-1350272.html

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