[发明专利]一种用于裂损衬砌承载力的计算方法

权利要求书

1.一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，适用于非环向裂缝，其特征在于，该计算方法如下：

步骤S1.1、数值计算模型的建立：

选取裂缝所在的二次衬砌的横断面，建立二次衬砌几何模型和裂缝几何模型；读取所述二次衬砌几何模型和裂缝几何模型，基于有限元法或有限差分法，采用实体单元建立隧道衬砌和裂隙的数值模型；

步骤S1.2、裂损衬砌应力状态的计算：

以水平方向为x轴，竖直方向为y轴，x轴和y轴的交点为原点o，在xoy坐标系下，提取所述数值模型中各实体单元的ID、坐标(X、Y、Z)、X方向应力SXX和Y方向应力SYY；

步骤S1.3、实体单元内力的计算：

在xoy坐标系内，设定各实体单元的ID为i，分别连接原点o和各所述实体单元的形心形成各连线，各连线与x轴正方向的夹角为α(i)，各实体单元的形心坐标为x(i)和y(i)，计算各象限内的α(i)，其中，i为自然数；

按照实体单元对应的夹角α(i)的大小，由小到大排序，按顺序赋予α(i)对应的各实体单元新的编号，且序列在xoy坐标系内逆时针排列，得到按逆时针排列的连续编号，连续编号用于由其判断各实体单元的位置关系；

根据新编号的规律选出相邻的两个所述实体单元，以相邻两个实体单元的形心的连线为x’轴，连线的中点为o’，垂直于x’轴，且通过o’点为y’轴，得到相对坐标系(x’o’y’)；

在相对坐标系下计算各实体单元的应力在x’和y’方向上的分量σ_x′和σ_y′，由各分量计算出各实体单元所在截面的内力，内力包括轴力N、弯矩M和剪力Q：

N(i)＝σ_x′(i)A(i) (14)，

N＝∑N(i) (15)，

Q(i)＝σ_y′A(i) (18)，

Q＝∑Q(i) (19)；

其中：A(i)为实体单元i的截面面积；

b为衬砌截面的宽，通常取1；h为二次衬砌厚度；

y为实体单元长度的一半。

2.根据权利要求1所述的一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，其特征在于，相邻两个所述实体单元的形心在绝对坐标系xoy下的坐标分别为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，则y’轴正方向与x轴正方向的夹角θ为：

θ＝arctan(-(x₂-x₁)/(y₂-y₁)) (8)；

σ_x′＝σ_xsinθ+σ_ycosθ (9)，

σ_y′＝σ_xcosθ+σ_ysinθ (10)。

3.根据权利要求2所述的一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，其特征在于，在xoy坐标系内，根据实体单元所处的象限，将其分为四组：第一象限组、第二象限组、第三象限组和第四象限组；计算各象限内的α(i)：

第一象限：

α(i)＝actan(y(i)/x(i)) (4)，

第二象限：

α(i)＝180°-actan(y(i)/x(i)) (5)，

第三象限：

α(i)＝180°+actan(y(i)/x(i)) (6)，

第四象限：

α(i)＝360°-actan(y(i)/x(i)) (7)。

4.一种用于裂损衬砌状态的判定方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的一种用于裂损衬砌承载力的计算方法；在步骤S1.3后，还包括步骤S2、裂损衬砌剩余承载力的分析：

将计算得到的所述轴力N、弯矩M和剪力Q与对应的与隧道二次衬砌的轴力设计值N_f、弯矩设计值M_f和剪力设计值Q_f相比较，当计算值中有一项小于设计值时，则表示裂损衬砌的剩余承载力不足，需要进行修复。