隧洞预应力衬砌结构设计计算方法与流程

本发明涉及水利工程设计，具体地涉及隧洞预应力衬砌结构设计计算方法。

背景技术：

1、隧洞是工程建设中的常见建筑物，高压水工隧洞在引调水工程、抽水蓄能工程中应用广泛。高压水工隧洞衬砌结构需承受高内外水压力作用。在高内水压力作用下，衬砌结构容易出现较大拉应力，常规配筋难以满足规范要求。工程中通常采用布置预应力钢绞线进行预张拉的方法增加衬砌结构预压，改善衬砌结构应力。

2、但现实情况是，尽管预应力衬砌结构在水工隧洞建设过程中有广泛的应用，但也发生了部分预应力失效或结构失稳的案例。

3、发生上述问题的核心在于：预应力钢绞线布设的合理性，直接关系到整个工程的质量、造价与工期，直接影响着建筑物和构筑物的安全。

4、但现有技术，对于隧洞预应力衬砌结构设计计算多采用有限元数值分析法，即将设计对象抽象成有限元模型，然后进行仿真模拟，得到一个近似的结果。

5、现有技术的缺陷在于：

6、1.由于隧洞预应力衬砌结构设计计算较为复杂，往往需要借助有限元数值分析手段进行，从而对设计人员的基础理论和专业技术要求较高，比较难于推广；

7、2.由于隧洞预应力衬砌结构设计计算除需要专业程度较高的人员外，还需要借助专业数值仿真软件进行，从而进一步提高了设计计算的门槛，且提高了设计中的错误发生概率；

8、3.由于隧洞预应力衬砌结构设计过程非常繁琐，需要考虑的因素极多，但每个具体的设计方案其要求又千差万别，从而使得现有技术天生缺乏对不同设计方案的灵活调整能力。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提供隧洞预应力衬砌结构设计计算方法，其目的在于降低对设计人员的基础理论和专业技术要求；降低设计计算的门槛；降低了设计中的错误发生概率；高效便捷。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

3、一种隧洞预应力衬砌结构设计计算方法，包括以下步骤：

4、s100.获取输入参数；所述输入参数包含衬砌结构参数、围岩参数、钢绞线参数、运行工况参数；

5、s200.初拟预应力衬砌结构设计方案；

6、s300.进行弹性力学求解计算，求解得到衬砌结构应力；所述衬砌结构应力用于评估隧洞衬砌结构在不同工况下的开裂风险；所述工况包含施工期，运行期、检修期；

7、s400.评估经s300求解后获得的所述衬砌结构应力；然后根据评估结果做出如下操作：

8、如果评估结果为求解后获得的所述衬砌结构应力符合人工预设的规范要求，则执行s600；

9、如果评估结果为求解后获得的所述衬砌结构应力不符合所述规范要求，则执行s500；

10、s500.调整所述预应力衬砌结构设计方案；然后重新执行s300；

11、s600.输出经s400评估且符合所述规范要求的预应力衬砌结构设计方案。

12、优选地，s100中：所述衬砌结构参数包含衬砌结构内径、衬砌结构外径、衬砌结构弹模、衬砌结构泊松系数、衬砌结构抗拉强度、衬砌结构抗压强度；

13、所述围岩参数包含围岩覆盖半径、围岩弹模、围岩泊松系数；

14、所述钢绞线参数包含钢绞线弹模；

15、所述运行工况参数包含设计内水压力、设计外水压力。

16、优选地，s200中所述预应力衬砌结构设计方案包含预应力钢绞线截面面积、有效张拉力、钢绞线曲率半径。

17、优选地，s300中对多种荷载作用下进行弹性力学求解计算得到所述衬砌结构应力；其中：

18、在不同载荷作用下，求解得到多种荷载作用衬砌结构应力；所述荷载作用衬砌结构应力包含钢绞线作用下衬砌结构应力、内外水压力作用下衬砌结构应力；

19、然后在多种工况作用下，对多种所述荷载作用衬砌结构应力进行荷载组合，得到所述衬砌结构应力；所述衬砌结构应力包含施工期衬砌结构应力、运行期衬砌结构应力、检修期衬砌结构应力。

20、优选地，s300中计算所述钢绞线作用下衬砌结构应力，具体包含以下步骤：

21、sa310.列出关于预应力钢绞线内层衬砌钢绞线作用下应力的表达式，按下式表达：

22、

23、其中：σr为钢绞线作用下径向应力；σθ为钢绞线作用下环向应力；aa为钢绞线作用下应力计算参数；ca为钢绞线作用下应力计算参数；ra为所述衬砌结构内径；r为任意位置半径；rc为所述钢绞线曲率半径；

24、sa320.列出关于预应力钢绞线外层衬砌钢绞线作用下应力的表达式，按下式表达：

25、

26、其中：ab为钢绞线作用下应力计算参数；cb为钢绞线作用下应力计算参数；rb为所述衬砌结构外径；

27、sa330.列出关于衬砌外围无限大岩体钢绞线作用下应力的表达式，按下式表达：

28、

29、其中：ac为钢绞线作用下应力计算参数；cc为钢绞线作用下应力计算参数；rd为所述围岩覆盖半径；

30、sa340.设置边界条件；所述边界条件包含预应力钢绞线内层衬砌内边界、无限大围岩体外边界、预应力钢绞线内层衬砌和预应力钢绞线外层衬砌的界面、预应力钢绞线外层衬砌和无限大围岩体内边界的界面；其中：

31、所述预应力钢绞线内层衬砌内边界应力满足下式表达：

32、σr＝aa/a2+2ca＝0  r＝a

33、其中：a为所述衬砌结构内径的值；

34、所述无限大围岩体外边界应力满足下式表达：

35、σr＝ac/d2+2cc＝0andσθ＝-ac/d2+2cc＝0  r＝d→∞

36、其中：d为所述围岩覆盖半径的值；

37、所述预应力钢绞线内层衬砌和预应力钢绞线外层衬砌的界面

38、径向位移u＝rεθ＝r/e(σθ-μσr)相等，满足下式表达：

39、

40、其中：r为位置半径；e为材料弹模；μ为材料泊松比；c为所述钢绞线曲率半径的值；ec为所述衬砌结构弹模；μc为衬砌结构泊松比；

41、径向应力相等，满足下式表达：

42、(aa/c2+2ca)-(ab/c2+2cb)＝(tpre+asesεθ)/c

43、其中：tpre为所述有效张拉力；as为所述预应力钢绞线截面面积；es为所述钢绞线弹模；pa为钢绞线作用下内层衬砌对钢绞线的径向作用力；pb为钢绞线作用下外层衬砌对钢绞线的径向作用力；εθ为界面环向应变，按下式表达：

44、εθ＝1/ec[-ab/b2+2cb-μc(ab/b2+2cb)]

45、所述预应力钢绞线外层衬砌和无限大围岩体内边界的界面

46、径向位移u＝rεθ＝r/e(σθ-μσr)相等，满足下式表达：

47、

48、其中：er为所述围岩弹模；μr为围岩泊松比；b为所述衬砌结构外径的值；径向应力σr相等，满足下式表达：

49、ab/b2+2cb＝ac/b2+2cc

50、sa350.将sa310～sa330中的3组表达式，结合sa340中的六个边界条件，采用wps规划，解出aa、ca、ab、cb、ac、cc六个钢绞线作用下应力计算参数。

51、优选地，s300中计算所述内外水压力作用下衬砌结构应力，具体包含以下步骤：

52、sb310.列出关于预应力钢绞线内层衬砌内外水压力作用下应力的表达式，按下式表达：

53、

54、其中：σ'r为内外水压力作用下径向应力；σ'θ为内外水压力作用下环向应力；a'a为内外水压力作用下应力计算参数；c'a为内外水压力作用下应力计算参数；

55、sb320.列出关于预应力钢绞线外层衬砌内外水压力作用下应力的表达式，按下式表达：

56、

57、其中：a'b为内外水压力作用下应力计算参数；c'b为内外水压力作用下应力计算参数；

58、sb330.列出关于衬砌外围无限大岩体内外水压力作用下应力的表达式，按下式表达：

59、

60、其中：a'c为内外水压力作用下应力计算参数；c'c为内外水压力作用下应力计算参数；

61、sb340.设置所述边界条件；其中：

62、所述预应力钢绞线内层衬砌内边界按下式表达：

63、σ'r＝a'a/a2+2c'a＝pin  r＝a

64、其中：pin为所述设计内水压力；

65、所述无限大围岩体外边界按下式表达：

66、σ'r＝a'c/d2+2c'c＝0andσ'θ＝-a'c/d2+2c'c＝0  r＝d→∞

67、所述预应力钢绞线内层衬砌和预应力钢绞线外层衬砌的界面

68、径向位移u'＝rε'θ＝r/e(σ'θ-μσ'r)相等，满足下式表达：

69、

70、径向应力σ'r相等，满足下式表达：

71、a'a/c2+2c'a＝a'b/c2+2c'b

72、所述预应力钢绞线外层衬砌和无限大围岩体内边界的界面

73、径向位移u'＝rε'θ＝r/e(σ'θ-μσ'r)相等，满足下式表达：

74、

75、径向应力相等，满足下式表达：

76、(a'b/b2+2c'b)-(a'c/b2+2c'c)＝pout

77、其中：pc为外水压力对衬砌结构的径向作用力；pd为外水压力对无限大岩体的径向作用力；pout为所述设计外水压力；

78、sb350.将sb310～sb330中的3组表达式，结合sb340中的边界条件，采用wps规划，解出a'a、c'a、a'b、c'b、a'c、c'c内外水压力作用下六个应力计算参数。

79、优选地，s300中计算所述施工期、运行期和检修期不同荷载作用组合下的衬砌结构应力，具体包含以下步骤：

80、sc310.计算得到施工期的衬砌结构在预应力作用下的应力；所述衬砌结构在预应力作用下的应力按sa310～sa330计算得到；

81、sc320.计算得到运行期的衬砌结构在预应力和内外水压力作用下的应力；所述衬砌结构在预应力作用下的应力按sa310～sa330计算得到，所述衬砌结构在内外水压力作用下的应力按sb310～sb330计算得到，两者叠加即为检修期的衬砌结构应力。

82、sc330.计算得到检修期的衬砌结构在预应力和外水压力作用下的应力；所述衬砌结构在预应力作用下的应力按sa310～sa330计算得到，所述衬砌结构在外水压力作用下的应力按sb310～sb330，且设置所述设计内水压力的值为pin＝0计算得到，两者叠加即为检修期的衬砌结构应力。

83、优选地，s400所述规范要求为：预应力衬砌结构的拉应力小于混凝土的允许拉应力，且所述预应力衬砌结构的压应力小于混凝土的允许压应力。

84、优选地，s500中调整所述预应力衬砌结构设计方案，包括调整所述预应力钢绞线截面面积、所述有效张拉力、所述钢绞线曲率半径。

85、本发明与现有技术对比，具有以下优点：

86、1.由于本发明不需要借助有限元数值分析手段进行，从而大幅降低了对设计人员的基础理论和专业技术要求，非常易于推广；

87、2.由于本发明无需借助专业数值仿真软件，从而进一步降低了设计计算的门槛，且降低了设计中的错误发生概率；

88、3.由于本发明计算方案调整灵活，从而具有高效便捷的优势。