CN111797447B - 一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，属于水利水电工程技术领域，提供一种新的用于复杂地基混凝土坝孔道配筋方法；包括：建模、截取局部轮廓模型、建立局部模型、网格剖分、应力计算、孔道周边内力计算以及最终确定配筋参数。本发明所述方法通过直接从整体模型中截取并形成局部模型，保证了局部模型和整体模型在边界处几何信息完全重合，保证了局部模型边界条件的正确性，也保证其计算成果的合理性；通过局部模型更为精细的单元细致地反映了孔道周围的应力状态，并通过设置计算剖面以及进行特征线插值积分方法，为最终混凝土坝孔道采用应力图形法配筋计算提供有效、准确的拉内力值，进而确保配筋方案的合理性。

Description

一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法。

背景技术

混凝土坝作为挡水结构是水电枢纽最重要的建筑物。受坝基断层和软弱岩体等复杂地质条件、复杂结构形态、材料变化和荷载条件等因素影响，混凝土坝受力性态复杂。由于结构、施工、监测和交通等要求，混凝土坝体内部会设置各种孔道如排水孔道、灌浆孔道、基础斜孔道、电梯井和集水井等，孔道对坝体应力有影响，孔道之间还会相互影响，坝内孔道受力复杂，是最容易发生开裂破坏的工程部位，是需要设置钢筋进行加固的重点部位。

传统的混凝土坝内孔道配筋，多采用大体积混凝土小孔口假定，采用弹性力学解析法和图表法进行计算设计。三维有限元法等数值计算方法发展并广泛应用后，能遵循仿真分析的原则，从几何、本构、受力和过程等方面，对坝体和基础从开始承载到破坏的整个过程进行模拟和分析，是研究复杂地基混凝土坝孔道结构受力性态的有效方法。

混凝土坝高多在百米数量级，有限元单元尺寸多在十米级，局部如坝踵加密到米级。坝身孔道断面多在米级，研究孔道等细部结构受力和配筋的有限元单元尺寸多在分米级。在同一大模型中考虑不同单元尺度和精度要求的结构分析，难度大效率低。因此工程设计多采用子模型法进行孔道应力分析和配筋设计。

目前常用的子模型法结构应力分析和配筋设计存在很多困难和不合理之处，包括：

1)有限元法计算中的子模型法，原本是对大型结构中的细部，采用加密网格细致分析局部应力分布等性态，是基于如下假定：子模型的结构刚度和材料分区等特性应与整体模型同区域的一致，差异仅仅在于有限元计算的单元尺寸不同。目前科研和设计领域的多采用的孔道等结构配筋子模型法，包含孔道结构的子模型存在各种形状的空腔，对结构刚度必然会产生影响，不满足刚度相同的要求。未对子模型范围选取和边界特性提出明确要求。

2)子模型的建模要求很高，要求子模型边界面和整体模型能严丝合缝，做到点线面几何特性相同；很多计算误差乃至成果不合理都来源于模型边界不合理。

3)孔道交错布置，各段、各断面、各方向在各工况下的受力不同，采用应力图形法根据内力配筋需要大量积分计算等后处理，计算工作量大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种新的用于一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，包括如下步骤：

步骤一、建模：在三维CAD软件中完成复杂地基-混凝土坝的三维几何实体建模，称为整体模型；同时，根据坝内孔道的几何尺寸，另行坝内孔道的三维几何实体建模，称为孔道模型；

步骤二、截取局部轮廓模型：根据坝内孔道几何尺寸，在步骤一中建立的整体模型中截取出包围坝内孔道布置区域的三维局部模型，称为局部轮廓模型；

步骤三、建立局部模型：采用布尔运算，在局部轮廓模型中挖去孔道模型所对应的孔道结构，得到的三维结构模型称为局部模型；然后沿孔道的轴向间隔设置多个计算剖面；

步骤四、网格剖分：对整体模型和局部模型分别进行网格剖分，其中局部模型的网格单元尺寸小于整体模型的网格单元尺寸；

步骤五、应力计算：利用整体模型的有限元网格，开展整体模型的应力计算，得到整体模型的应力计算成果；根据局部模型的边界面信息，在整体模型计算成果中获取局部模型的力或位移边界条件，将所获取的局部模型的力或位移边界条件加载到局部模型的有限元网格中，开展局部模型的应力计算，得到局部模型的应力计算成果；

步骤六、孔道周边内力计算：在步骤三中设置的每个计算剖面内设置至少八条特征线，并在每条特征线上分别设置有多个特征点，各特征线沿孔道的周向呈放射状地间隔分布设置；将局部模型应力计算成果插值到各特征点上，得到各特征点的局部模型整体坐标系下应力；利用坐标系转换计算，将上述各特征点的局部模型整体坐标系下应力，转换为对应计算剖面的局部坐标系下的环向正应力和轴向正应力，对每个计算剖面内的环向正应力和轴向正应力进行应力数值积分得相应计算剖面的拉内力；

步骤七、根据步骤六获得的孔道周边内力结果，采用应力图形法确定配筋参数。

进一步的是：在步骤三中，在孔道交叉部位和变断面部位加密设置计算剖面。

进一步的是：在步骤六中，每个计算剖面内设置八条以上特征线，每条特征线的长度设置为不低于3倍孔径，每条特征线上以0.2孔径等间距地设置特征点。

进一步的是：在步骤六中，每个计算剖面内的各特征线沿孔道周向呈均匀角度的间隔分布设置。

进一步的是：在步骤二中，截取局部轮廓模型时，满足如下要求：对于单孔结构的局部轮廓模型，设置S≥3D；对于孔口群局部轮廓模型，设置S>B，且S≥3D；其中，D为孔道横断面内最大内径；S为局部轮廓模型的边界距孔道的距离；B为孔口群局部轮廓模型种孔口之间距离。

进一步的是：在步骤六中的坐标系转换计算方法如下：

设局部模型整体坐标系下应力为{σ'}＝{σ_x',σ_y',σ_z',τ_xy',τ_yz',τ_zx'}，对应计算剖面的局部坐标系下的应力{σ}＝{σ_x,σ_y,σ_z,τ_xy,τ_yz,τ_zx}，由下式计算：

{σ}＝[T_σ]{σ'} (A)

其中：

l_i、m_i、n_i是x_i与x'、y'、z'的方向余弦；x_i中i＝1,3，代表x、y、z

进一步的是：在步骤七中，采用的应力图形法根据“《水工混凝土结构设计规范(DL/T5057-2009)》附录D非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则”的要求确定配筋参数；

其中受拉钢筋截面面积As应满足下式要求：

式中：

T－－由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力；

T_c－－混凝土承担的拉力；

f_y－－钢筋抗拉强度设计值；

γ_d－－钢筋混凝土结构的结构系数；

其中，上述T为步骤六中计算所得到的拉内力。

进一步的是：所述三维CAD软件为Catia三维设计软件。

本发明的有益效果是：

1、复杂地基混凝土坝受力条件复杂，在应力计算分析中，局部模型的计算结果对边界条件很敏感，边界条件直接决定计算结果的合理性。本发明所述方法通过直接从整体模型中截取并形成局部模型，保证了局部模型和整体模型在边界处几何信息完全重合，保证了局部模型边界条件的正确性，也保证其计算成果的合理性。

2、本发明中，通过局部模型更为精细的单元细致地反映了孔道周围的应力状态，并通过设置计算剖面以及进行特征线插值积分方法，为最终混凝土坝孔道采用应力图形法配筋计算提供有效、准确的拉内力参数，进而确保配筋方案的合理性。

3.本发明相对于背景技术中的子模型法，具有更加快速、准确、可靠等优势。

附图说明

图1为孔道某一计算剖面内设置的八条特征线及特征点设置示意图；

图2为孔道某一计算剖面内设置的十二条特征线及特征点设置示意图；

图3为图1中特征点上标记有应力数据时的示意图；

图4为计算剖面的局部坐标系x'与局部模型整体坐标系x_i'的示意图；

图5为发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明所述的一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，为针对具有复杂地基的情况所采用的配筋方法，其中所谓复杂地基，指的是混凝土坝的地基中具有：断层等软弱结构、不同岩性岩级、坝基置换灌浆措施等情况中的任意一种或者多种的情况时；因复杂地基条件下，对混凝土坝体内部会产生较大的影响，因此在复杂地基条件下的混凝土坝孔道配筋方法要求更高；具体本发明所述的方法包括如下步骤：

步骤一、建模：在三维CAD软件中完成复杂地基-混凝土坝的三维几何实体建模，称为整体模型；同时，根据坝内孔道的几何尺寸，另行坝内孔道的三维几何实体建模，称为孔道模型；

步骤二、截取局部轮廓模型：根据坝内孔道几何尺寸，在步骤一中建立的整体模型中截取出包围坝内孔道布置区域的三维局部模型，称为局部轮廓模型；

步骤三、建立局部模型：采用布尔运算，在局部轮廓模型中挖去孔道模型所对应的孔道结构，得到的三维结构模型称为局部模型；然后沿孔道的轴向间隔设置多个计算剖面；

步骤四、网格剖分：对整体模型和局部模型分别进行网格剖分，其中整体模型的网格单元尺寸大于局部模型的网格单元尺寸；

步骤五、应力计算：利用整体模型的有限元网格，开展整体模型的应力计算，得到整体模型的应力计算成果；根据局部模型的边界面信息，在整体模型计算成果中获取局部模型的力或位移边界条件，将所获取的局部模型的力或位移边界条件加载到局部模型的有限元网格中，开展局部模型的应力计算，得到局部模型的应力计算成果；

步骤六、孔道周边内力计算：在步骤三中设置的每个计算剖面内设置至少八条特征线，并在每条特征线上分别设置有多个特征点，各特征线沿孔道的周向呈放射状地间隔分布设置；将局部模型应力计算成果插值到各特征点上，得到各特征点的局部模型整体坐标系下应力；利用坐标系转换计算，将上述各特征点的局部模型整体坐标系下应力转换为对应计算剖面的局部坐标系下的环向正应力和轴向正应力，对每个计算剖面内的环向正应力和轴向正应力进行应力数值积分得相应计算剖面的拉内力；

步骤七、根据步骤六获得的孔道周边内力结果，采用应力图形法确定配筋参数。

其中，复杂地基-混凝土坝的三维几何实体建模为实体模型，其内部无需建立孔道结构等；其次，孔道模型为根据坝内孔道结构所对应的空心区域单独建立的实体模型。不失一般性，本发明中用于建立模型的三维软件可采用CATIA三维设计软件，但不限于CATIA，也适用其它类似三维设计软件。

另外，在步骤二中，截取局部轮廓模型时，可根据弹性力学圣维南原理(SaintVenant’s Principle)进行截取，具体则是要求满足如下要求：对于单孔结构的局部轮廓模型，设置S≥3D，例如具体可取值S＝4D；对于孔口群局部轮廓模型，设置S>B，且S≥3D，例如具体取值1.2B和4D两个值中的较大值；其中，D为孔道横断面内最大内径；S为局部轮廓模型的边界距孔道的距离；B为孔口群局部轮廓模型种孔口之间距离。通过上述要求的限制，可确保所截取的局部轮廓模型的尺寸，既能控制计算边界对坝体孔道周边应力计算成果的影响，避免局部轮廓模型截取过小而影响后续有限元计算结果准确性，又能控制计算规模和工作量。

另外，在步骤三中，为了提高对孔道交叉部位和变断面部位的计算精度，本发明中可进一步在孔道交叉部位和变断面部位加密设置计算剖面；即在孔道交叉部位和变断面部位设置的计算剖面的密度大于整体设置的计算剖面的密度。例如，在实际设计过程中，计算剖面在孔道交叉部位和变断面部位以外的部位设置的间距为2倍洞径，而在孔道交叉部位和变断面部位设置的间距为0.5倍洞径。

另外，在步骤六中，为每个计算剖面设置特征线以及在特征线上设置特征点，其目的为在后续通过特征线上的特征点进行插值计算，以将相应的有限元应力计算成果插值到特征点上，进而便于后续的计算；设置特征线、特征点以及应力插值计算的具体原理以及处理过程为常规处理方式，本发明不再详细赘述。更具体的，本发明中优选为每个计算剖面内设置八条以上特征线；并且可设置每条特征线的长度设置为不低于3倍洞径；每条特征线上以0.2孔径等间距地设置特征点；以及可设置每个计算剖面内的各特征线沿孔道周向呈均匀角度的间隔分布设置。本专利通过设定计算剖面上8条以上特征线，且每条16个以上特征点，能够更加全面而准确地反映出该计算剖面的孔道周边的应力情况，方便后续快速进行相应的应力图形积分。

另外，本发明在步骤六中的坐标系转换计算的目的是为了将局部模型整体坐标系下应力转化为计算剖面的局部坐标系下的应力，以便于后续进行计算剖面的局部坐标系下的环向正应力和轴向正应力的应力数值积分；具体的，坐标系的转换计算本身为现有技术，为了便于理解，本发明中更未详细的对坐标系的转换计算方法进行如下阐释，参照附图4中所示：

设局部模型整体坐标系下应力为{σ'}＝{σ_x',σ_y',σ_z',τ_xy',τ_yz',τ_zx'}，对应计算剖面的局部坐标系下的应力{σ}＝{σ_x,σ_y,σ_z,τ_xy,τ_yz,τ_zx}，由下式计算：

{σ}＝[T_σ]{σ'} (A)

其中：

l_i、m_i、n_i是x_i与x'、y'、z'的方向余弦；x_i中i＝1,3，代表x、y、z。

另外，本发明中的步骤四为有限元计算过程中的常规的网格剖分处理。本发明中由于需要重点关注坝内孔道部位的受力情况，因此对整体模型和局部模型分别进行网格剖分的处理过程中，局部模型的网格单元尺寸小于整体模型的网格单元尺寸，即相对于整体模型的网格单元尺寸而言，局部模型的网格单元尺寸将更小、更细，以此提高局部模型的有限元计算精度，同时又降低整体模型的计算难度，降计算成本。例如，在具体的处理过程中，对于整体模型的网格剖分可平均采用米级或者十米级的网格尺寸，而对于局部模型的网格剖分可平均采用分米级的网格尺寸。

另外，本发明中的步骤五为有限元计算过程中的常规的有限元计算处理。本发明中为先进行整体模型的有限元应力计算，以获得整体模型的应力计算成果；之后再在整体模型的应力计算成果的基础上获得局部模型所对应的边界条件，如局部模型的力或位移边界条件；之后再将相应的边界条件加载到局部模型上开展局部模型的有限元应力计算，以获得局部模型的应力计算成果。由于本发明中的局部模型为直接从整体模型中截取出来的部分结构，因此保证了局部模型和整体模型在边界处几何信息完全重合，保证了局部模型边界条件的正确性，也保证其计算成果的合理性。

最后，本发明通过步骤六所得到的孔道周边内力结果，可直接采用“应力图形法”进行配筋设置。“应力图形法”进行配筋设置本身已有相关的规范要求，为了便于理解，本发明中进一步阐述如下：本发明中的应力图形法可根据“《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)附录D非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则”的要求确定配筋参数；

其中受拉钢筋截面面积As应满足下式要求：

式中：

T－－由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力；

T_c－－混凝土承担的拉力；

f_y－－钢筋抗拉强度设计值；

γ_d－－钢筋混凝土结构的结构系数；

其中，上述T为步骤六中计算所得到的拉内力。

在上述公式C中，对于T_c、f_y、γ_d等属于常规参数，均可通过相应的工程混凝土强度设计资料，如《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)中获取途径获取，本发明中不再详细赘述。

Claims (4)

1.一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、建模：在三维CAD软件中完成复杂地基-混凝土坝的三维几何实体建模，称为整体模型；同时，根据坝内孔道的几何尺寸，另行坝内孔道的三维几何实体建模，称为孔道模型；

步骤二、截取局部轮廓模型：根据坝内孔道几何尺寸，在步骤一中建立的整体模型中截取出包围坝内孔道布置区域的三维局部模型，称为局部轮廓模型；

步骤三、建立局部模型：采用布尔运算，在局部轮廓模型中挖去孔道模型所对应的孔道结构，得到的三维结构模型称为局部模型；然后沿孔道的轴向间隔设置多个计算剖面；

步骤四、网格剖分：对整体模型和局部模型分别进行网格剖分，其中局部模型的网格单元尺寸小于整体模型的网格单元尺寸；

步骤五、应力计算：利用整体模型的有限元网格，开展整体模型的应力计算，得到整体模型的应力计算成果；根据局部模型的边界面信息，在整体模型计算成果中获取局部模型的力或位移边界条件，将所获取的局部模型的力或位移边界条件加载到局部模型的有限元网格中，开展局部模型的应力计算，得到局部模型的应力计算成果；

步骤六、孔道周边内力计算：在步骤三中设置的每个计算剖面内设置至少八条特征线，并在每条特征线上分别设置有多个特征点，各特征线沿孔道的周向呈放射状地间隔分布设置；将局部模型应力计算成果插值到各特征点上，得到各特征点的局部模型整体坐标系下应力；利用坐标系转换计算，将上述各特征点的局部模型整体坐标系下应力，转换为对应计算剖面的局部坐标系下的环向正应力和轴向正应力，对每个计算剖面内的环向正应力和轴向正应力进行应力数值积分得相应计算剖面的拉内力；

步骤七、根据步骤六获得的孔道周边内力结果，采用应力图形法确定配筋参数；

在步骤三中，在孔道交叉部位和变断面部位加密设置计算剖面；

在步骤六中，每个计算剖面内设置八条以上特征线；每条特征线的长度设置为不低于3倍孔径，每条特征线上以0.2孔径等间距地设置特征点；

在步骤六中，每个计算剖面内的各特征线沿孔道周向呈均匀的间隔分布设置；

在步骤二中，截取局部轮廓模型时，满足如下要求：对于单孔结构的局部轮廓模型，设置S≥3D；对于孔口群局部轮廓模型，设置S>B，且S≥3D；其中，D为孔道横断面内最大内径；S为局部轮廓模型的边界距孔道的距离；B为孔口群局部轮廓模型种孔口之间距离。

2.如权利要求1所述的一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，其特征在于：在步骤六中的坐标系转换计算方法如下：

设局部模型整体坐标系下应力为{σ'}＝{σ_x',σ_y',σ_z',τ_xy',τ_yz',τ_zx'}，对应计算剖面的局部坐标系下的应力{σ}＝{σ_x,σ_y,σ_z,τ_xy,τ_yz,τ_zx}，由下式计算：

{σ}＝[T_σ]{σ'} (A)

其中：

l_i、m_i、n_i是x_i与x'、y'、z'的方向余弦；x_i中i＝1,3，代表x、y、z。

3.如权利要求1所述的一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，其特征在于：在步骤七中，采用的应力图形法根据“《水工混凝土结构设计规范(DL/T5057-2009)》附录D非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形法配筋计算原则”的要求确定配筋参数；

其中受拉钢筋截面面积As应满足下式要求：

式中：

T－－由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力；

T_c－－混凝土承担的拉力；

f_y－－钢筋抗拉强度设计值；

γ_d－－钢筋混凝土结构的结构系数；

其中，上述T为步骤六中计算所得到的拉内力。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种复杂地基混凝土坝孔道配筋方法，其特征在于：所述三维CAD软件为CATIA三维设计软件。

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