【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合式衬砌设计，具体涉及一种基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法。
技术介绍
1、复合式衬砌已经成为山岭隧道的主要衬砌结构类型，然而由于地下工程的复杂性，到目前为止世界各国采用的复合式衬砌结构设计方法各不相同，我国不同行业规范的要求也不相同。铁路隧道设计规范规定初期支护设计以经验设计法为主，特殊情况下可采用数值计算和理论分析确定初期支护的设计参数，二次衬砌采用荷载结构模型计算结构内力，按照钢筋混凝凝土或素混凝土检算结构安全系数。目前初期支护设计参数主要根据设计者的经验，缺乏定量化设计依据；二次衬砌按照钢筋混凝凝土或素混凝土检算结构安全系数时，安全系数取值偏高，造成工程浪费。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供一种基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，旨在解决现有的初期支护设计参数主要依据设计者的经验，缺乏定量化设计依据，并且二次衬砌检算安全系数取值偏高造成工程浪费的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，包括如下步骤：
3、s10：根据现场地质素描和室内试验结果得到节理裂隙的间距和结构面的粘聚力和内摩擦角，并根据所述粘聚力和所述内摩擦角计算得到松动圈高度；
4、s20：在有限元软件中建立三维有限元模型，其中钢架喷射混凝土部分采用三维梁单元模拟，无钢架地段采用三维壳单元模拟；
5、s30：选定所述三维有限元模型中的预设角度范
6、s40：计算得到所述三维梁单元内力分布，并进行安全度检算且安全系数大于2.4，得到钢架设计参数；
7、s50：计算得到所述三维壳单元内力分布，并进行安全度检算，其中抗拉安全系数大于3.6，抗压安全系数大于2.4，得到喷射混凝土厚度；
8、s60：根据钢架设计参数和喷射混凝土厚度检算裂缝宽度，并根据裂缝数值调整钢架保护层厚度；
9、s70：二次衬砌安全系数取1，计算得到二次衬砌厚度。
10、在一种可能的实现方式中，所述松动圈高度的计算公式为：
11、
12、其中，x1为节理间距，x2为结构面粘聚力，x3为结构面内摩擦角的正切值。
13、在一种可能的实现方式中，所述三维有限元模型采用ansys软件、powercivil软件中的一种，输入软件的数据有围岩压力、围岩弹性抗力、混凝土弹性模量、混凝土泊松比、混凝土容重、型钢混凝土弹性模量、型钢混凝土泊松比、型钢混凝土容重；
14、或者输入软件的数据有：围岩压力、围岩弹性抗力、混凝土弹性模量、混凝土泊松比、混凝土容重、钢筋混凝土弹性模量、钢筋混凝土泊松比、钢筋混凝土容重。
15、在一种可能的实现方式中，所述预设角度范围为120°，且所述预设角度范围位于三维有限元模型中的拱部。
16、在一种可能的实现方式中，所述s40步骤包括：
17、s41：采用型钢钢架时，按照型钢混凝土进行安全度检算，在有限元模型中输入型钢混凝土弹性模量e时，用如下公式代替弹性模量输入值：
18、ei＝ecic+eaia
19、其中，e为型钢混凝土弹性模量，i为型钢混凝土对弯曲中性轴的惯性矩，ecic为混凝土部分的截面抗弯刚度，eaia为型钢部分的截面抗弯刚度；
20、s42：截面宽度＝工字钢翼缘宽度+2*混凝土保护层厚度，其中保护层厚度取10cm；
21、型钢混凝土受压区高度x计算如下：
22、α1fcbx+f′ya′s+f′aa′af-fyas-faaaf+naw＝0
23、计算的所述受压区高度x需满足：
24、x≤ξbh0，h0＝h-a
25、x≥a′a+t′f
26、
27、其中，ξb为相对界限受压区度，a′s，a′a为受拉区钢筋、型钢翼缘合力点至截面受压边缘的距离，as，aa为受拉区钢筋、型钢翼缘合力点至截面受压边缘的距离，tf，t′f为型钢受拉、受压翼缘厚度，fak，f′ak为型钢抗拉、抗压强度标准值，rg,r′g为钢筋抗拉、抗压强度计算值，x为混凝土受压区高度，h0为截面有效高度，a为混凝土保护层厚度，es为钢筋弹性模量，β1为受压区混凝土应力图形影响系数；
28、s43：安全系数计算：
29、
30、δ1h0＜1.25x，δ2h0＞1.25x时：
31、
32、
33、其中，m为截面弯矩，α1为受压区混凝土应力影响系数，ra为混凝土抗压极限强度，b为截面宽度，tw为型钢腹板厚度，as、a′s为受拉、受压钢筋的截面面积，aaf、a′af为型钢受拉、受压翼缘截面面积，maw为型钢腹板承受的轴向受力，δ1、δ2为型钢腹板上端、下端至截面上边的距离与h0的比值。
34、在一种可能的实现方式中，所述s40步骤包括：
35、s41’：采用格栅钢架时，按照钢筋混凝土进行安全度检算，在有限元模型中输入钢筋混凝土弹性模量e时，用如下公式代替弹性模量输入值：
36、ei＝ecic+eaia
37、其中，e为钢筋混凝土弹性模量，i为钢筋混凝土对中性轴的惯性矩，ecic为混凝土部分的截面抗弯刚度，eaia为格栅钢架部分的截面抗弯刚度；
38、截面宽度＝钢筋中心间距+2*混凝土保护层厚度，其中保护层厚度取10cm；
39、计算钢筋混凝土偏心距：
40、e0＝m/n
41、e＝e0+h/2-as
42、e′＝|e0-h/2+a′s|
43、其中，e0为偏心距，h为截面厚度，n为轴向力，m为截面弯矩，e、e′为钢筋ag和a′g的重心至在轴向力作用点的距离，as、a′s为受拉区钢筋ag和a′g的重心至截面最近边缘的距离；
44、s42’：计算钢筋混凝土受压区高度：
45、
46、h0＝h-a
47、as＝a＝as′
48、当轴向力n作用于钢筋ag和a′g两重心之间时取正号，当轴向力n作用于钢筋ag和a′g两重心以外时，取负号；
49、其中，x为钢筋混凝土受压区高度，h0为截面有效高度，a为钢筋混凝土保护层厚度，rg为钢筋的抗拉或抗压计算强度，ag为受拉和受压区钢筋的截面面积，rw为混凝土弯曲抗压极限强度，b为截面宽度；
50、s43’：2as<x<0.55h0时为大偏心受压，x＝0.55h0
51、
52、x<2as时为大偏心受压：
53、
54、x>0.55h0时为小偏心受压：
55、
56、其中，k为安全系数。
57、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述松动圈高度的计算公式为：
3.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述三维有限元模型采用ANSYS软件、PowerCivil软件中的一种，输入软件的数据有围岩压力、围岩弹性抗力、混凝土弹性模量、混凝土泊松比、混凝土容重、型钢混凝土弹性模量、型钢混凝土泊松比、型钢混凝土容重；
4.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述预设角度范围为120°，且所述预设角度范围位于三维有限元模型中的拱部。
5.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S40步骤包括：
6.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S40步骤包括：
7.如权利要求5或6所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计
8.如权利要求5所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S60步骤包括：
9.如权利要求6所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S60步骤包括：
10.如权利要求7所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述S70步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述松动圈高度的计算公式为：
3.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述三维有限元模型采用ansys软件、powercivil软件中的一种，输入软件的数据有围岩压力、围岩弹性抗力、混凝土弹性模量、混凝土泊松比、混凝土容重、型钢混凝土弹性模量、型钢混凝土泊松比、型钢混凝土容重；
4.如权利要求1所述的基于初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计方法，其特征在于，所述预设角度范围为120°，且所述预设角度范围位于三维有限元模型中的拱部。
5.如权利要求1所述的基于初期支...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁祥，姚建青，刘勇，杨保平，罗章波，雍建军，田野，张宏，谢旭峰，樊浩博，郭庆昊，任玉鹏，于海涛，董耀斌，胡玉林，赵龙，仇国宁，
申请(专利权)人：中铁第五勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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