[发明专利]一种用于裂损衬砌承载力的计算方法

说明书

本发明公开了一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，适用于非环向裂缝，该计算方法如下：步骤S1.1、数值计算模型的建立；步骤S1.2、裂损衬砌应力状态的计算；步骤S1.3、实体单元内力的计算。采用该计算方法在数值模拟分析中能够考虑裂损衬砌中的裂隙，使计算结果能够直观地反映衬砌的工作状态及安全性。

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种用于裂损衬砌承载力的计算方法。

背景技术

在地下工程数值模拟分析中，对于隧道衬砌，可以采用结构单元(如壳单元、梁单元)对衬砌结构的受力特征进行模拟分析，也可以采用实体单元对衬砌的应力-应变特征进行模拟。与结构单元相比，实体单元能够更好地模拟隧道衬砌与围岩之间的相互作用。尤其是在考虑衬砌裂损的时候，用实体单元可以模拟衬砌中存在的裂隙，而结构单元则无法进行模拟。并且，采用实体单元也可以模拟分析裂损衬砌和补强材料的协同作用。但是，对于衬砌结构，在计算中如果采用结构单元，内力(弯矩、剪力和轴力)往往能直观地反映衬砌的工作状态。而采用实体单元进行模拟分析，计算得到的实体单元应力却不能非常直观地反映衬砌的工作状态及安全性。采用任一单一的方法，均不能很好地对衬砌结构的受力特征进行模拟分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，在数值模拟分析中能够考虑裂损衬砌中的裂隙，使计算结果能够直观地反映衬砌的工作状态及安全性。

本发明采用以下技术方案：一种用于裂损衬砌承载力的计算方法，适用于非环向裂缝，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(t)和y(t)，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)，

N(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；