[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

说明书

本发明提供基于参数化建模的隧道裂缝宽度快速计算方法及装置，能够准确、快速得到显示有隧道断面上的裂缝位置及宽度信息的裂缝宽度分布图，方法包括：步骤1.离散化；步骤2.确定基本参数；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，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；步骤5.绘制隧道断面；步骤6.施加约束和荷载；步骤7：结果提取以及裂缝宽度分布图显示；计算得到各单元对应的裂缝宽度；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，将各单元的裂缝宽度按弯矩图进行展示。

技术领域

本发明属于隧道结构设计领域，具体涉及基于参数化建模的隧道裂缝宽度快速计算方法及装置。

背景技术

钢筋混凝土衬砌结构构件，按作用准永久组合并考虑长期作用影响计算时，构建最大裂缝宽度不应超过0.2mm，特殊环境条件下应符合现行《铁路混凝土结构耐久性设计规范要求》。铁路隧道结构设计过程中，复合式衬砌结构的最大裂缝宽度验算应满足其使用功能及外观要求，在不同状态下的同一结构，最大裂缝宽度越小，结构的功能性越好。因此为确定结构正常使用极限状态能力，现有研究遵从了铁路隧道钢筋混凝土偏心受压构件最大裂缝宽度运算的基本流程，即通过先利用有限元软件建模，然后提取结构内力，最后利用计算软件或人工运算的方式得到隧道衬砌单元裂缝宽度。

现有的正常使用极限状态最大裂缝宽度确定方法的不足包括以下几个方面。

1.对于某一隧道，其建模过程不能用于其他隧道断面，即命令流只能一对一，因此在对不同隧道结构设计时，只能手动调整隧道尺寸，分别编写命令流，耗时较久容易出错；

2.需要导出弯矩、轴力和剪力大小，人为判断钢筋混凝土偏心受压构件是否需要验算裂缝宽度，再导入计算公式中得到结果，过程繁琐，效率低；

3.对钢筋混凝土衬砌单元，需要根据结果进行配筋验算；

4.不能直观反应隧道衬砌单元裂缝宽度及分布。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于参数化建模的隧道裂缝宽度快速计算方法及装置，能够准确、快速得到显示有隧道断面上的裂缝位置及宽度信息的裂缝宽度分布图。

如图1所示，为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：

方法

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。例如，设n＝4，将四心圆隧道各个圆弧的半径和角度作为基本参数，并按照实际铁路隧道断面尺寸对圆弧半径和角度进行参数赋值，根据多心圆隧道圆弧中的三角关系，确定其他重要参数，在有限元软件中建立图2所示的四心圆铁路隧道断面模型。

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(Beam3)以及模拟周围围岩作用的杆单元(Link10)，并且根据实际尺寸的大小定义特定的实常数；

步骤5.绘制隧道断面，包括如下子步骤：

步骤5-1.按照图2所示圆心O₁～O₄顺序，依次输入各圆弧圆心位置，利用“k”命令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；