[發明專利]一種基于結構收斂變形的內力與圍壓計算方法

有效

• 申請號: 201811380781.6
• 申請日: 2018-11-20
• 公開（公告）號: CN109543283B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 仇文革;高剛剛;程云建
• 申請（專利權）人: 成都天佑智隧科技有限公司;仇文革
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13
• 代理公司: 重慶上義眾和專利代理事務所(普通合伙) 50225
• 代理人: 孫人鵬

1.一種基于結構收斂變形的內力與圍壓計算方法，其特征在于：

采用以下步驟，

步驟1：在剛開挖的隧道內架設三維激光掃描儀和全站儀，將三維激光掃描儀和全站儀進行開機，在隧道內架設標靶，調平三維激光掃描儀與全站儀；

步驟2：使用后方交會的方法復核已知點，同時用復核后的全站儀測量標靶中心；

步驟3：使用三維激光掃描儀對設置的標靶進行掃描，同時用三維激光掃描儀對隧道進行全景掃描；

步驟4：按以上步驟在剛施作完支護到結構變形穩定期間按照設定的采集頻率采集隧道支護結構的三維點云數據，將每次采集到的標靶點的大地坐標和三維點云數據保存在數據庫中；

步驟5：將掃描到的三維點云數據轉換到大地坐標系之中；

步驟6：根據現場的施工情況，利用三維建模軟件建立基于現場的支護結構三維模型；

步驟7：將三維模型導入到數值計算軟件中；

步驟8：根據精度要求，對三維模型進行網格劃分和定義材料參數；

步驟9：對三維點云數據進行處理，得到位移載荷數據；

步驟10：將建好的三維計算模型通過數值計算軟件在計算機上進行位移加載，得到計算結果；

步驟11：對計算結果進行提取和后處理，從而得到支護結構的內力和圍巖壓力的分布；

步驟12：根據結構的內力計算出結構的安全系數來評價結構的安全性；

步驟13：通過圍巖壓力與收斂變形數據得到支護結構特性曲線；

所述步驟9包括如下處理方式：

步驟9-1：根據三維計算模型網格劃分的精度，得到一個單元的軸向計算寬度為d，環向計算范圍為α，該環向計算范圍對應角度范圍，按照公式：

將第a次掃描的三維點云數據由空間直角坐標系轉化到柱坐標系，a＝1；其中，沿隧道軸線方向為z軸，x為隧道橫截面的水平方向，y為隧道橫截面的豎直方向；

步驟9-2：取z₁＝d，θ₁＝0，以單元節點為中心，將z₁-0.5d≤z≤z₁+0.5d，θ₁-α/2≤θ≤θ₁+α/2的三維點云數據作為一個處理集合，三維點云數據集合內有N個點，則：

將P₁(r₁，θ₁，z₁)作為單元節點的空間坐標，d為單元節點的z向數值，x_i為三維點云數據中第i個點云對應的x參數值，y_i為三維點云數據中的第i個點云對應的y參數值，N為三維點云數據中的點云總數；

步驟9-3：得到第一坐標組Q＝{z₁＝n×d|n∈{0，1，2，……，L/d}}，L為模型軸向長度，第二坐標組W＝{θ₁＝m×α|m∈{0，1，2，……，2π/α}}，第一坐標組Q中元素和第二坐標組W中元素任意組合，按照步驟9-2的算法，求得模型所有單元節點的空間坐標；

步驟9-4：將a+1次掃描得到的數據按照步驟9-2至步驟9-3處理，得到單元節點的相鄰兩次的位移△r為：

△r＝r_a+1-r_a；

步驟9-5：在最后一次掃描后，將從第一次掃描到最后一次掃描中相鄰兩次的單元節點位移△r累加，這樣便得到了模型所有單元節點的位移載荷數據，其中，r_a為第a次掃描，r_a+1為第a+1次掃描。

2.根據權利要求1所述的一種基于結構收斂變形的內力與圍壓計算方法，其特征在于：所述步驟11包括如下處理方式：

步驟11-1：通過對數值模型進行加載，可以得到支護結構的應力、應變云圖和內力云圖；

通過命令流將所有單元節點的內力值導出，該內力值包括軸力值A、剪力值Q和彎矩值M；

步驟11-2：當一個單元環向計算角度α≤10°時，可以將單元所受到的荷載視為均布荷載，則在整體坐標系下，該均布荷載q為：

式中，M_j為單元節點i的j端彎矩；L為單元的長度；

按照上式求出所有單元所受到的均布荷載，即求得了支護結構的圍巖壓力分布。

3.根據權利要求2所述的一種基于結構收斂變形的內力與圍壓計算方法，其特征在于：所述步驟12具體包括：

根據軸力的偏心距e＝M/S的大小，結構的安全性分為兩種情況：

第一，當e≤0.20h時，截面強度破壞受抗壓強度控制

式中K為安全系數，根據經驗K＝2.4；

S為截面的軸力；

為單元的縱向彎曲系數，可取

χ為軸力偏心影響系數，

R_a為混凝土的極限抗壓強度；

h為單元的厚度；

d為單元的軸向計算寬度；

第二，當e＞0.20h時，截面強度破壞受抗拉強度控制

式中K為安全系數，根據經驗K＝3.6；

R_l為混凝土的極限抗拉強度；

將數值計算得到的結構內力作如上討論，如果滿足截面強度破壞受抗拉強度控制，則認為結構安全，否則認為不安全。