【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水工建筑物結構設計領域，適用于有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌設計。
技術介紹
1、作為水工隧洞中常用的襯砌形式，鋼筋混凝土襯砌在水工隧洞建設運行的過程中起到了至關重要的作用。在水文地質條件較好的環境下，采用鋼筋混凝土襯砌可充分發揮圍巖自身的承載能力，具有較高的經濟性與適應性。在鋼筋混凝土襯砌設計理論的發展歷程中，關于水荷載的作用形式一般可分為面力與體力兩種理論：面力理論視混凝土襯砌為不透水介質，水荷載以邊界面力的形式作用在襯砌的內表面；體力理論視混凝土襯砌為多孔微透水介質，水荷載以體力的形式作用在結構內部。傳統的鋼筋混凝土襯砌隧洞按照抗裂要求進行設計，未充分意識和利用到圍巖承擔水荷載的能力，導致襯砌厚度和鋼筋用量過大。隨著體力理論的發展，以透水襯砌理論為基礎的隧洞設計理論逐漸成熟。不同于傳統面力理論，透水襯砌理論將襯砌與圍巖視為透水介質，尤其在高內水壓作用下襯砌開裂，內水外滲將導致襯砌內外水壓基本平衡，圍巖將成為水荷載的承載主體，大大降低了對襯砌承載能力的要求。
2、在現有的鋼筋混凝土襯砌設計方法中，無論是基于面力理論還是透水襯砌理論，通常僅關注襯砌在充水運行期的承載特性，對于不同形式的荷載也往往一概而論。實際上鋼筋混凝土襯砌與圍巖間的粘結強度有限，施工完建期在外水壓力、灌漿壓力等外壓作用下，襯砌與圍巖間可能已經脫離并形成一定的間隙，這將對襯砌的承載特性帶來不可忽視的影響；此外，在引水隧洞運行的過程中，尤其是抽水蓄能電站，不可避免的會經歷開停機、增加負荷、工況轉換、設備和電力系統故障等，從而引起不可忽略的動水荷
3、綜上所述，目前的鋼筋混凝土襯砌還存在著以下缺陷：(1)缺乏對施工完建到充水運行全過程水荷載增量作用下襯砌-圍巖間有條件聯合承載過程的認識；
4、(2)未考慮到施工期襯砌與圍巖接觸狀態的變化；(3)未能區分靜水荷載與動水荷載的作用形式，低估動水荷載的作用。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是克服現有設計方法存在的不足，提供了一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，以透水襯砌理論為基礎，考慮從施工完建期到充水運行期襯砌與圍巖的動態結合過程，進行有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌結構設計。
2、本專利技術提供的技術方案如下：
3、第一方面，本專利技術提供一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，包括以下步驟：
4、根據襯砌與圍巖在滲透水壓力增量和面力增量作用下，襯砌的環向應力與外壁變形、圍巖的內壁變形的關系式，結合襯砌與圍巖間的水力連續條件、位移連續條件，計算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態；
5、根據接觸狀態的判斷結果，計算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應力與最大裂縫寬度；
6、繼續施加動水荷載增量，計算襯砌與圍巖間隙閉合時的動水荷載，隨后根據位移連續條件計算鋼筋應力與混凝土最大裂縫寬度；
7、按照正常使用極限狀態要求，結合安全性與經濟性要求，確定鋼筋混凝土襯砌最優配筋設計方案。
8、在一種可能實現的方式中，所述襯砌與圍巖在滲透水壓力增量作用下，襯砌的環向應力與外壁變形、圍巖的內壁變形的關系式如下：
9、
10、在面力增量作用下襯砌的環向應力與外壁變形、圍巖的內壁變形的關系式如下：
11、
12、其中，σθ,p為滲透力作用下襯砌的環向應力，σθ,f為滲透力作用下圍巖的環向應力；δpi、δpo分別為襯砌內外表面滲透水壓力增量；ri、ro分別為襯砌內、外半徑，且ro/ri＝t；δfi、δfo分別為襯砌內外表面面力增量；μc、μr分別為襯砌混凝土、圍巖的泊松比；為滲透力作用下襯砌外壁的徑向位移，為滲透力作用下圍巖內壁的徑向位移；為面力作用下襯砌外壁的徑向位移，為面力作用下圍巖內壁的徑向位移；上標c代表襯砌混凝土，上標r代表圍巖，μ為襯砌混凝土或圍巖的泊松比，e為對應的彈性模量；
13、
14、在一種可能實現的方式中，所述結合水力連續條件、位移連續條件，計算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態的方法中，水力連續條件為qc1＝qr1，位移連續條件為其中，qc1為襯砌滲流量，qr1為圍巖滲流量；
15、襯砌-圍巖交界面滲透水壓力ps1與邊界力ts1為：
16、
17、其中，kc、kr為襯砌、圍巖的滲透系數，r為水力滲透半徑，p0為水力滲透半徑r處的滲透水壓力；
18、若-ts1≤t0，襯砌與圍巖保持粘結狀態；若-ts1>t0，襯砌將與圍巖脫離，其中t0為襯砌-圍巖交界面粘結強度。
19、在一種可能實現的方式中，所述根據接觸狀態的判斷結果，計算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應力與最大裂縫寬度的方法，包括：
20、(1)施工完建期襯砌-圍巖未脫離
21、施加靜水荷載增量后，襯砌與圍巖的荷載增量記作δpi＝ph，δpo＝ps2，δfi＝0，δfo＝ts2；
22、
23、σs＝n/as
24、襯砌最大裂縫寬度計算公式如下：
25、
26、式中：qc2為靜水壓作用下襯砌滲流量，qr2為靜水壓作用下圍巖滲流量；n為裂縫條數；g為重力加速度；υ為滲流水體的運動粘滯系數；ph為運行期最大靜水荷載，ps2為靜水壓作用下襯砌外壁滲透水壓力；ts2為靜水壓作用下襯砌與圍巖脫離前的交界面作用力，ωmax為襯砌最大裂縫寬度；γ為滲流水體容重；n為襯砌斷面合力；σs為襯砌裂縫位置的鋼筋應力；as為鋼筋總面積；ψ為鋼筋應變不均勻系數；es為鋼筋彈性模量；lf為裂縫平均間距；d為鋼筋直徑；ρs為襯砌配筋率；ν為鋼筋表面形狀系數；ftk為混凝土抗拉強度標準值；rs為環形鋼筋圈的半徑；α1、α2為系數；
27、由以上公式，已知ph通過迭代求解ps2，進而求解其余變量；若求得-ts2>t0，則襯砌與圍巖脫離，此時令ts2＝0代入上述方程組再次迭代求解，得到鋼筋的應力與最大裂縫寬度；
28、(2)施工完建期襯砌-圍巖已脫離
29、若在襯砌開裂前，襯砌與圍巖間的間隙先閉合，則閉合前襯砌圍巖交界面作用力ts2＝0，襯砌開裂后將與圍巖再次脫離，此時同樣將ts2＝0代入(1)中的公式迭代求解；
30、若襯砌在間隙閉合前開裂，記荷載增量δp1＝ph，δp2＝ps2，δf1＝0，δf2＝0；將ts2＝0代入(1)中公式迭代求解，得到鋼筋的應力與最大裂縫寬度。
31、進一步，所述繼續施加動水荷載增量，計算襯砌與圍巖間隙閉合時的動水荷載，隨后根據位移連續條件計算鋼筋應力與混凝土最大裂縫寬度的方法中，滿足下述條件：襯砌與圍巖已脫離；對于開裂后的襯砌混凝土環，視其為正交異性材料，環向失去承載能力；邊界條件為p4＝0，p1為襯砌混凝土內壁的面力本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述襯砌與圍巖在滲透水壓力增量作用下，襯砌的環向應力與外壁變形、圍巖的內壁變形的關系式如下：
3.根據權利要求2所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述結合水力連續條件、位移連續條件，計算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態的方法中，水力連續條件為Qc1＝Qr1，位移連續條件為其中，Qc1為襯砌滲流量，Qr1為圍巖滲流量；
4.根據權利要求3所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述根據接觸狀態的判斷結果，計算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應力與最大裂縫寬度的方法，包括：
5.根據權利要求4所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述繼續施加動水荷載增量，計算襯砌與圍巖間隙閉合時的動水荷載，隨后根據位移連續條件計算鋼筋應力與混凝土最大裂縫寬度的方法中，滿足下述條件：襯砌與圍巖已脫離；對于開裂后的襯
6.根據權利要求4所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述繼續施加動水荷載增量，計算襯砌與圍巖間隙閉合時的動水荷載，隨后根據位移連續條件計算鋼筋應力與混凝土最大裂縫寬度的方法中，鋼筋應力為：
7.一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計裝置，其特征在于，包括：
8.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述程序時實現如權利要求1至6任一項所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法。
9.一種非暫態計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現如權利要求1至6任一項所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法。
10.一種計算機程序產品，包括計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現如權利要求1至6任一項所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法。
...【技術特征摘要】
1.一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述襯砌與圍巖在滲透水壓力增量作用下，襯砌的環向應力與外壁變形、圍巖的內壁變形的關系式如下：
3.根據權利要求2所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述結合水力連續條件、位移連續條件，計算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態的方法中，水力連續條件為qc1＝qr1，位移連續條件為其中，qc1為襯砌滲流量，qr1為圍巖滲流量；
4.根據權利要求3所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述根據接觸狀態的判斷結果，計算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應力與最大裂縫寬度的方法，包括：
5.根據權利要求4所述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設計方法，其特征在于，所述繼續施加動水荷載增量，計算襯砌與圍巖間隙閉合時的動水荷載，隨后根據位移連續條件計算鋼筋應力與混凝土最大裂縫寬度的方法中，滿足下述條件：襯砌與圍巖已脫離；對于開裂后的襯砌混凝土環，視其為正交異性材料，環向失去承載能力；邊界條件為p4＝0，p1為襯砌...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇凱，周鑫，龔仁煌，王向坤，胡志根，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：
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