本發(fā)明涉及水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

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(shè)運(yùn)行的過程中起到了至關(guān)重要的作用。在水文地質(zhì)條件較好的環(huán)境下，采用鋼筋混凝土襯砌可充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，具有較高的經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性。在鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)理論的發(fā)展歷程中，關(guān)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(zhì)，水荷載以邊界面力的形式作用在襯砌的內(nèi)表面；體力理論視混凝土襯砌為多孔微透水介質(zhì)，水荷載以體力的形式作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土襯砌隧洞按照抗裂要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，未充分意識(shí)和利用到圍巖承擔(dān)水荷載的能力，導(dǎo)致襯砌厚度和鋼筋用量過大。隨著體力理論的發(fā)展，以透水襯砌理論為基礎(chǔ)的隧洞設(shè)計(jì)理論逐漸成熟。不同于傳統(tǒng)面力理論，透水襯砌理論將襯砌與圍巖視為透水介質(zhì)，尤其在高內(nèi)水壓作用下襯砌開裂，內(nèi)水外滲將導(dǎo)致襯砌內(nèi)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(duì)襯砌承載能力的要求。

2、在現(xiàn)有的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法中，無論是基于面力理論還是透水襯砌理論，通常僅關(guān)注襯砌在充水運(yùn)行期的承載特性，對(duì)于不同形式的荷載也往往一概而論。實(shí)際上鋼筋混凝土襯砌與圍巖間的粘結(jié)強(qiáng)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(jīng)脫離并形成一定的間隙，這將對(duì)襯砌的承載特性帶來不可忽視的影響；此外，在引水隧洞運(yùn)行的過程中，尤其是抽水蓄能電站，不可避免的會(huì)經(jīng)歷開停機(jī)、增加負(fù)荷、工況轉(zhuǎn)換、設(shè)備和電力系統(tǒng)故障等，從而引起不可忽略的動(dòng)水荷載，其作用時(shí)程短，往往來不及形成內(nèi)水外滲過程，若按照體力荷載考慮不能反映其作用特征，可能會(huì)低估其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用力。

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(duì)施工完建到充水運(yùn)行全過程水荷載增量作用下襯砌-圍巖間有條件聯(lián)合承載過程的認(rèn)識(shí)；

4、(2)未考慮到施工期襯砌與圍巖接觸狀態(tài)的變化；(3)未能區(qū)分靜水荷載與動(dòng)水荷載的作用形式，低估動(dòng)水荷載的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，以透水襯砌理論為基礎(chǔ)，考慮從施工完建期到充水運(yùn)行期襯砌與圍巖的動(dòng)態(tài)結(jié)合過程，進(jìn)行有壓隧洞鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

4、根據(jù)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(huán)向應(yīng)力與外壁變形、圍巖的內(nèi)壁變形的關(guān)系式，結(jié)合襯砌與圍巖間的水力連續(xù)條件、位移連續(xù)條件，計(jì)算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態(tài)；

5、根據(jù)接觸狀態(tài)的判斷結(jié)果，計(jì)算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應(yīng)力與最大裂縫寬度；

6、繼續(xù)施加動(dòng)水荷載增量，計(jì)算襯砌與圍巖間隙閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，隨后根據(jù)位移連續(xù)條件計(jì)算鋼筋應(yīng)力與混凝土最大裂縫寬度；

7、按照正常使用極限狀態(tài)要求，結(jié)合安全性與經(jīng)濟(jì)性要求，確定鋼筋混凝土襯砌最優(yōu)配筋設(shè)計(jì)方案。

8、在一種可能實(shí)現(xiàn)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(huán)向應(yīng)力與外壁變形、圍巖的內(nèi)壁變形的關(guān)系式如下：

9、

10、在面力增量作用下襯砌的環(huán)向應(yīng)力與外壁變形、圍巖的內(nèi)壁變形的關(guān)系式如下：

11、

12、其中，σθ,p為滲透力作用下襯砌的環(huán)向應(yīng)力，σθ,f為滲透力作用下圍巖的環(huán)向應(yīng)力；δpi、δpo分別為襯砌內(nèi)外表面滲透水壓力增量；ri、ro分別為襯砌內(nèi)、外半徑，且ro/ri＝t；δfi、δfo分別為襯砌內(nèi)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(nèi)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(nèi)壁的徑向位移；上標(biāo)c代表襯砌混凝土，上標(biāo)r代表圍巖，μ為襯砌混凝土或圍巖的泊松比，e為對(duì)應(yīng)的彈性模量；

13、

14、在一種可能實(shí)現(xiàn)的方式中，所述結(jié)合水力連續(xù)條件、位移連續(xù)條件，計(jì)算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態(tài)的方法中，水力連續(xù)條件為qc1＝qr1，位移連續(xù)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(shù)，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(jié)狀態(tài)；若-ts1>t0，襯砌將與圍巖脫離，其中t0為襯砌-圍巖交界面粘結(jié)強(qiáng)度。

19、在一種可能實(shí)現(xiàn)的方式中，所述根據(jù)接觸狀態(tài)的判斷結(jié)果，計(jì)算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應(yīng)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(jì)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(shù)；g為重力加速度；υ為滲流水體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；ph為運(yùn)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(yīng)力；as為鋼筋總面積；ψ為鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；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(shù)；ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；rs為環(huán)形鋼筋圈的半徑；α1、α2為系數(shù)；

27、由以上公式，已知ph通過迭代求解ps2，進(jìn)而求解其余變量；若求得-ts2>t0，則襯砌與圍巖脫離，此時(shí)令ts2＝0代入上述方程組再次迭代求解，得到鋼筋的應(yīng)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(shí)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(yīng)力與最大裂縫寬度。

31、進(jìn)一步，所述繼續(xù)施加動(dòng)水荷載增量，計(jì)算襯砌與圍巖間隙閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，隨后根據(jù)位移連續(xù)條件計(jì)算鋼筋應(yīng)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(duì)于開裂后的襯砌混凝土環(huán)，視其為正交異性材料，環(huán)向失去承載能力；邊界條件為p4＝0，p1為襯砌混凝土內(nèi)壁的面力荷載，為襯砌閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，p4為襯砌外壁的面力荷載；繼續(xù)施加動(dòng)水荷載增量后，襯砌與圍巖位移增量滿足位移連續(xù)條件為襯砌混凝土外壁的徑向位移，ur為圍巖內(nèi)壁的徑向位移。

32、進(jìn)一步，所述繼續(xù)施加動(dòng)水荷載增量，計(jì)算襯砌與圍巖間隙閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，隨后根據(jù)位移連續(xù)條件計(jì)算鋼筋應(yīng)力與混凝土最大裂縫寬度的方法中，鋼筋應(yīng)力為：

33、σs,all＝σs+δσs

34、δσs＝(ripd-rots3)/as

35、其中，σs,all為靜水荷載與動(dòng)水荷載合作用下的鋼筋應(yīng)力，σs為靜水壓作用下襯砌裂縫位置的鋼筋應(yīng)力，δσs為動(dòng)水壓作用下襯砌裂縫位置的鋼筋應(yīng)力增量，pd為運(yùn)行期最大動(dòng)水荷載，as為鋼筋總面積；ts3為動(dòng)水荷載作用下襯砌與圍巖間交界面的作用力，μs為鋼筋泊松比，為襯砌與圍巖間的間隙閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，r1、r2、r3、r4分別為襯砌內(nèi)壁、等效鋼襯內(nèi)壁、等效鋼襯外壁、襯砌外壁的半徑，μc為襯砌混凝土泊松比，ec為襯砌混凝土彈性模量；

36、將鋼筋應(yīng)力帶入裂縫寬度計(jì)算公式中求解，得到裂縫寬度。

37、第二方面，本發(fā)明提供一種考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)裝置，包括：

38、模塊一，用于根據(jù)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(huán)向應(yīng)力與外壁變形、圍巖的內(nèi)壁變形的關(guān)系式，結(jié)合襯砌與圍巖間的水力連續(xù)條件、位移連續(xù)條件，計(jì)算并判斷施工完建期襯砌與圍巖間的接觸狀態(tài)；

39、模塊二，用于根據(jù)接觸狀態(tài)的判斷結(jié)果，計(jì)算不同情況下施加靜水荷載增量后，鋼筋的應(yīng)力與最大裂縫寬度；

40、模塊三，用于繼續(xù)施加動(dòng)水荷載增量，計(jì)算襯砌與圍巖間隙閉合時(shí)的動(dòng)水荷載，隨后根據(jù)位移連續(xù)條件計(jì)算鋼筋應(yīng)力與混凝土最大裂縫寬度；

41、模塊四，用于按照正常使用極限狀態(tài)要求，結(jié)合安全性與經(jīng)濟(jì)性要求，確定鋼筋混凝土襯砌最優(yōu)配筋設(shè)計(jì)方案。

42、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如前述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法。

43、第四方面，本發(fā)明提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如前述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法。

44、第五方面，一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如前述的考慮水荷載增量過程的鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方法。

45、與現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明的有益效果在于：

46、1、相較于基于面力理論的傳統(tǒng)襯砌設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明基于透水襯砌理論考慮了內(nèi)水外滲的作用，有效降低了鋼筋用量，同時(shí)以面力形式考慮動(dòng)水荷載的作用，給予襯砌足夠的安全儲(chǔ)備。

47、2、基于透水襯砌理論，考慮了襯砌從施工完建期到充水運(yùn)行期全過程水荷載增量的作用，揭示了襯砌與圍巖間的有條件聯(lián)合承載特性，使襯砌設(shè)計(jì)更加貼近于荷載真實(shí)作用過程。

48、3、基于正交異性本構(gòu)推導(dǎo)了開裂鋼筋混凝土襯砌在動(dòng)水荷載作用下的計(jì)算模型，相較于現(xiàn)有的襯砌設(shè)計(jì)方法，充分考慮了運(yùn)行過程中各類荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用。