[发明专利]基于参数化建模的隧道裂缝宽度快速计算方法及装置

权利要求书

1.一种基于参数化建模的隧道裂缝宽度快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.离散化：

将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成；

步骤2.确定基本参数：

根据待评价的隧道的实测资料，确定基本参数数值，作为模型输入参数；

步骤3.确定用于参数化建模的n心圆隧道断面包含圆弧半径和角度的关键参数变量，n≥1，并确定隧道断面位置；

步骤4.确定单元类型、材料参数、实常数：

确定反应隧道断面复合式衬砌结构的梁单元以及模拟周围围岩作用的杆单元，并且根据实际尺寸的大小定义实常数；

步骤5.绘制隧道断面，包括如下子步骤：

步骤5-1.依次输入各圆弧圆心位置，将各圆弧圆心坐标生成为第1类关键点，并在拱顶位置同样生成关键点；

步骤5-2.以上一步生成的1类关键点为圆心，r为半径，α为圆心依次做出n心圆隧道断面对应的圆弧，并且根据ANSYS工作界面关键点编号不断累加的特性，在每一步生成圆弧结束后用“get”命令记录编号最大的点为第2类关键点，在每一次绘制圆弧的过程中以该第2类关键点为起始点画弧；

步骤5-3.做第1类关键点的圆心，r为半径，α/2为角依次对应的圆弧，重复步骤5-2的操作，在每一次圆弧结束后生成关键点，作为第3类关键点，把每段圆弧线都平划分成两段，同时记录了这几段圆弧的中点位置，从而获得了n心圆断面半侧每一段圆弧的起始点、中点和终止点；

步骤5-4.利用“ldele”命令删除线，再利用“larc”命令以第2类关键点和拱顶位置关键点为圆弧的两个端点，以第3类关键点为圆弧经过的重要点做圆弧，连接之后的圆弧利用“lcomb”命令依次连接起来作为圆弧线1；

步骤5-5.利用“lsymm”命令沿y轴对称，生成完整隧道轮廓图；

步骤5-6.“lsel”选择所有的线，“lesize”命令将弧线划分出想要的单元数量，“lmesh”命令进行单元划分，然后“nummrg”命令进行节点整合；

步骤5-7.“nsel”选择纵坐标为0的点即坐标系原点，“get”将此点作为起始点，“nsel”选中左侧生成的节点；

步骤5-8.采用数组来定义各节点，定义数组a为隧道衬砌单元节点储存数组，a(1)为仰拱底部起始点单元编号；

步骤5-9.利用循环命令“do”，执行对左侧节点的循环操作，从a(1)点起，利用“nnear”命令不断选择离节点最近位置的节点作为下一个编号顺序的节点，为避免已定义的节点被重复选择，“nsel”命令将每一步已定义的节点排除掉；

步骤5-10.再选择隧道断面右侧的节点，同步骤5-9一样，将拱顶位置的节点作为起始点，循环利用“nnear”命令按顺序将节点记录在数组a中，让节点有序化；

步骤5-11.选择数组a中的所有节点，利用“get”命令得到横坐标最大节点，带入塌方公式中计算出深浅埋隧道的塌方高度；

步骤5-12.利用循环程序，选择梁单元通过“e”命令逐次连接数组所代表的各个节点，并同时进行参数赋值；

步骤5-13.进入前处理模块，利用“lclear”命令消除多余线的影响；

步骤5-14.设置模拟围岩作用的外圈杆单元端点的节点，将外圈半径l设置为l＝r+1,重复上述操作步骤5-2至步骤5-10，将杆单元端点部分节点设置为数组b，数组b与数组a的顺序一致且数组b位于衬砌单元的外圈；

步骤5-15.选择杆单元，利用循环程序，依次通过“e”命令对应连接数组a与数组b所代表的各个节点，并同时进行参数赋值，完成参数化建模；

步骤6.施加约束和荷载，包括如下子步骤：

步骤6-1.进入后处理模块，利用“d”命令，通过循环程序，选择数组b代表的杆单元端点约束固定，将其等效为“弹簧”结构；

步骤6-2.采用循环命令“do”，对衬砌节点施加等效荷载，对左半侧结构施加正向横向荷载，对右半侧结构施加负向横向荷载，作对称结构对称荷载的施加；

步骤6-3.利用循环命令，选出数组a代表的各节点中横坐标等于上述过程中步骤5-11中出现横坐标出现最大数值的点的编号，一旦挑选出就退出循环，以此来得到此点是隧道轮廓的最左端节点以及最右端节点编号；

步骤6-4.根据步骤6-3得到的数组编号利用循环命令，对结构上部分作负向的竖向荷载施加，完成模型的载荷约束及施加；

步骤7：结果提取以及裂缝宽度分布图显示：

步骤7-1.通过有限元软件ANSYS APDL完成对结构的求解，得到各单元的弯矩和轴力，并提取到数组中；

步骤7-2.选择衬砌单元，利用“etable”命令提取各单元的弯矩、轴力和剪力，并利用“get”命令将弯矩和轴力导入提前设计好的数组“mm”和“nn”中；

步骤7-3.利用循环命令“do”以及选择命令“if”对单元进行是否验算裂缝宽度的判断以及数值运算，得到各单元对应的裂缝宽度；对钢筋混凝土构件验算裂缝宽度按下列公式计算：

a)对于e₀/h₀≤0.55的偏心受压构件，不验算裂缝宽度：

ω_max＝0    (1)

b)对于e₀/h₀0.55的偏心受压构件，需验算裂缝宽度

式中，ω_max—最大裂缝宽度；h₀—截面有效高度；f_tk—混凝土抗压强度标准值；σ_s—钢筋抗拉强度；α_cr—构件受力特征系数；—裂缝纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σ_sq—钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋应力；E_s—钢筋的弹性模量；c_s—最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离；ρ_te—按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；A_s—受拉区纵向钢筋截面面积；A_te—有效受拉混凝土截面面积；d_eq—受拉区纵向钢筋的等效直径；

步骤7-4.将所得安全系数结果记录进已提前设好的数组中，将记录裂缝宽度数值大小的数组对记录弯矩大小数组进行替换，用“plls”命令将各单元的裂缝宽度按弯矩图进行展示。