衬砌结构配筋计算方法与流程

本发明涉及地下洞室工程领域，具体是一种衬砌结构配筋计算方法。

背景技术：

1、衬砌结构是地下洞室工程常用的二期支护结构，用以保证地下洞室结构的长期稳定安全运行。目前，针对衬砌结构的配筋计算主要有：(1)结构力学法；(2)混凝土弥散裂缝模型；(3)混凝土分离裂缝模型：(4)混凝土损伤模型；(5)假定径向裂缝的混凝土模型。但这些计算方法存在的问题主要有：(1)计算过程中未考虑钢筋对混凝土力学行为的影响；(2)将钢筋模型进行简化，无法真实模拟混凝土开裂过程和钢筋受力过程；(3)无法考虑混凝土开裂对其力学行为的影响从而导致配筋量过大；(4)虽然既考虑了钢筋又考虑了混凝土开裂，但计算过程中需要网格重新划分，过于复杂、收敛困难，难以用于大尺度结构的配筋计算。

技术实现思路

1、为了准确配筋，本申请提供了一种衬砌结构配筋计算方法。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、衬砌结构配筋计算方法，包括：

4、步骤1、根据衬砌结构尺寸确定组成衬砌的块体颗粒粒径大小；

5、步骤2、基于衬砌选用的混凝土强度等级确定混凝土宏观力学参数，并拟订钢筋级别和保护层厚度，初拟钢筋排布参数；

6、步骤3、基于块体颗粒粒径大小建立试样模型；

7、步骤4、基于试样模型及混凝土宏观力学参数确定组成衬砌的块体颗粒之间接触单元的细观力学参数；

8、步骤5、基于钢筋排布参数建立用于获取钢筋轴力大小及接触单元分离形成的裂缝宽度的数值计算模型；

9、步骤6、基于数值计算模型、块体之间的接触单元及细观力学参数分别获取钢筋轴力大小及裂缝宽度，若钢筋轴力大小或裂缝宽度不满足设计要求，则调整钢筋排布参数后重复步骤5、6，直至钢筋轴力大小及裂缝宽度均满足设计要求。

10、进一步地，所述块体颗粒粒径小于等于衬砌厚度的1/3。

11、进一步地，所述混凝土宏观力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度设计值和单轴抗拉强度设计值。

12、进一步地，所述步骤4具体为：

13、步骤41、确定试样模型间的接触模型；

14、步骤42、基于试错法及宏观力学参数，采用单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验确定细观力学参数。

15、进一步地，所述接触模型为库仑滑移接触模型或考虑残余强度的库仑滑移接触模型。

16、进一步地，所述钢筋排布参数包括直径、间距及排数。

17、进一步地，所述步骤6具体为：

18、步骤61、为数值计算模型中的围岩块体、衬砌块体及钢筋结构单元添加材料参数，为各块体之间的接触单元添加细观力学参数，围岩四周施加法向约束，根据计算工况施加载荷并计算；

19、步骤62、若钢筋轴力大小不满足设计要求则调整钢筋排布参数，重复步骤5，直至钢筋轴力大小满足设计要求；

20、步骤63、在步骤62的基础上，若裂缝宽度不满足设计要求则调整钢筋排布参数，重复步骤5，直至裂缝宽度满足设计要求。

21、进一步地，所述步骤62中，若钢筋轴力大小不满足设计要求则依次调整钢筋直径、间距或排数。

22、进一步地，所述步骤63中，若裂缝宽度不满足设计要求则调整钢筋间距或排数。

23、进一步地，所述步骤61中，载荷包括内水压力、围岩压力及自重。

24、本发明相比于现有技术具有的有益效果是：本发明既可模拟混凝土衬砌结构和钢筋之间的实际滑移作用，又可模拟混凝土衬砌真实开裂，且避免了网格重划分导致的计算不收敛问题或人为假设衬砌开裂位置导致的模拟不真实问题，计算过程更符合实际情况。在衬砌配筋设计过程中，采用本发明可有效提高配筋设计方案的准确合理性，避免大量无效钢筋的使用，进而节约工程投资。

技术特征：

1.衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述块体颗粒粒径小于等于衬砌厚度的1/3。

3.根据权利要求1所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述混凝土宏观力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度设计值和单轴抗拉强度设计值。

4.根据权利要求1所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

5.根据权利要求4所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述接触模型为库仑滑移接触模型或考虑残余强度的库仑滑移接触模型。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述钢筋排布参数包括直径、间距及排数。

7.根据权利要求6所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

8.根据权利要求7所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述步骤62中，若钢筋轴力大小不满足设计要求则依次调整钢筋直径、间距或排数。

9.根据权利要求7所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述步骤63中，若裂缝宽度不满足设计要求则调整钢筋间距或排数。

10.根据权利要求7所述的衬砌结构配筋计算方法，其特征在于，所述步骤61中，载荷包括内水压力、围岩压力及自重。

技术总结
本发明涉及地下洞室工程领域，为了准确配筋，提供了衬砌结构配筋计算方法，包括：确定组成衬砌的块体颗粒粒径大小；确定混凝土宏观力学参数，拟订钢筋级别和保护层厚度，初拟钢筋排布参数；建立试样模型；确定组成衬砌的块体颗粒之间接触单元的细观力学参数；建立用于获取钢筋轴力大小及接触单元分离形成的裂缝宽度的数值计算模型；基于数值计算模型、块体之间的接触单元及细观力学参数分别获取钢筋轴力大小及裂缝宽度，若钢筋轴力大小或裂缝宽度不满足设计要求，则调整钢筋排布参数，直至钢筋轴力大小及裂缝宽度均满足设计要求。采用上述方式便于准确配筋。

技术研发人员：孙博,夏勇,王仁坤,刘跃,杨斌
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15