现浇钢筋混凝土管沟的设计方法与系统与流程

本发明涉及工程设计技术领域，特别是涉及现浇钢筋混凝土管沟的设计方法与系统。

背景技术：

钢筋混凝土管沟已广泛应用于各类循环水、排水以及给水等系统中，给人们生产生活带来巨大便利。

以钢筋混凝土管沟应用于核电站循环水系统为例，核电厂循环水系统的钢筋混凝土箱涵有如下几个特点：1)外部荷载大，埋深十几米到二十几米很正常，内水压力最大的已经达到650千帕，尚需考虑机组甩负荷时排水的温度骤增；2)流量大，因而导致管沟直径一般较大，目前，采用的多在3.0m～4.5m之间；3)工程量大，投资高，根据不同厂区的布置和取排水需求，管线长度一般较长，从1公里多到几公里的都有，工程投资一般都在一亿上下，甚至几个亿；4)形式多样，有内圆外方、内方外方，多孔并排，多孔重叠等。

目前钢筋混凝土的埋地现浇箱涵的设计一般采用简化的杆件有限元进行设计，其杆件的长度取为侧壁中心线之间的距离，即为净空尺寸加上两侧壁厚的一半。对于壁厚与净空尺寸比值较大的管沟，由于模型简化的问题，设计结果与真实情况往往偏差较大。

技术实现要素：

基于此，有必要针对一般现浇钢筋混凝土管沟的设计方案中混凝土管沟设计结果与真实情况偏差较大的问题，提供一种混凝土管沟设计准确的现浇钢筋混凝土管沟的设计方法与系统。

一种现浇钢筋混凝土管沟的设计方法，包括步骤：

获取钢筋混凝土管沟尺寸参数；

根据钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型；

对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，有限元计算包括设计荷载及荷载工况组合确定、有限元网格的划分、材料参数的设定以及荷载施加与有限元静力分析；

提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力；

根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力，根据提取截面上各节点的剪应力，计算提取截面等效柱截面的剪力值；

根据提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值对提取截面进行配筋计算；

对钢筋混凝土管沟二维模型中提取的不同截面进行配筋计算，获得钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果；

根据钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果以及钢筋混凝土管沟尺寸参数，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。

一种现浇钢筋混凝土管沟的设计系统，包括：

参数获取模块，用于获取钢筋混凝土管沟尺寸参数；

模型转换模块，用于根据钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型；

有限元计算模块，用于对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，有限元计算包括设计荷载及荷载工况组合确定、有限元网格的划分、材料参数的设定以及荷载施加与有限元静力分析；

第一计算模块，用于提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力；

第二计算模块，用于根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力，根据提取截面上各节点的剪应力，计算提取截面等效柱截面的剪力值；

第三计算模块，用于根据提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值对提取截面进行配筋计算；

迭代模块，用于控制第一计算模块、第二计算模块以及第三计算模块对钢筋混凝土管沟二维模型中提取的不同截面进行配筋计算，获得钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果；

结果获取模块，用于根据钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果以及钢筋混凝土管沟尺寸参数，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。

本发明现浇钢筋混凝土管沟的设计方法与系统，获取钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型，对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，对提取截面进行配筋计算，计算不同截面的配筋计算结果，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。整个过程中，基于有限元理论将三维模型转化为二维模型进行处理，并对二维模型进行有限元计算，获得提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，再对提取截面进行配筋计算，能够实现现浇钢筋混凝土管沟的准确设计。

附图说明

图1为本发明现浇钢筋混凝土管沟的设计方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为长直管外形尺寸示意图；

图3为图2中长直管剖面示意图；

图4为图2中长直管二维简化模型示意图；

图5为在钢筋混凝土管沟二维模型拟提取截面位置示意图；

图6为提取图5中1-1截面的示意图

图7为图5中1-1截面的详细示意图；

图8为二维坐标轴表征节点应力与节点位置的关系曲线示意图；

图9为图5中1-1截面的配筋详细示意图；

图10为本发明现浇钢筋混凝土管沟的设计系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种现浇钢筋混凝土管沟的设计方法，包括步骤：

S100：获取钢筋混凝土管沟尺寸参数。

钢筋混凝土管沟尺寸参数是基于当前应用场景的需求获取的参数，一般来说，包括管长度、管宽度(截面宽度)、管沟高度(截面高度)、管净空宽、管净空高以及管壁厚度等，另外针对钢筋混凝土管沟中不同管内空腔形状还有一些特殊的尺寸参数，例如常规多边形管内空腔还包括腋角宽度等参数，具体来说，如图2、图3所示的长直管为例，其内腔是多边形，其具体的尺寸参数包括管沟总长度L0米，截面总宽度B0(其中净空宽度B1，壁厚B2)，截面总高度H0(其中净空高度H1，壁厚H2)，腋角尺寸为宽度By。

S200：根据钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型。

根据有限元理论，管沟长度方向的尺寸与截面尺寸比值较大时，其计算结果基本是平面应变问题，即一般不会产生沿管沟长度方向的应变。继续以长直管为例，如图4所示，将长直管沟的计算模型简化为图4的二维平面应变模型，其中上部钢筋混凝土管沟，尺寸标注如图2与图3所示，下部为地基土层，根据有限元计算精度的要求，图中所示的地基宽度一般不小于管沟截面总宽度B0的1.5倍，图中所示的地基高度一般不小于管沟截面总高度H0的1.5倍。

S300：对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，有限元计算包括设计荷载及荷载工况组合确定、有限元网格的划分、材料参数的设定以及荷载施加与有限元静力分析。

有限元计算主要内容包括：设计荷载及荷载工况组合确定、有限元网格的划分(一般采用四面体网格)、材料参数的设定(包括混凝土、地基的弹性模量和泊松比等)、荷载施加及常规的有限元静力分析。

S400：提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力。

如图5所示，提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，具体可以对某些关心或者控制截面进行结果的提取，如1-1、2-2，3-3、4-4……，其中1-1截面的具体位置如图6所示，提取出该截面上各节点的正应力σ和剪应力τ。更进一步的，可以针对获得的提取的截面上各节点的正应力进行进一步的处理，进一步处理过程如下：1、建立二维平面坐标系，在二维平面坐标系中，第一轴线方向表征节点正应力，第二轴线方向表征节点距离截面与管壁内边缘的交点的距离，更具体来说，第一轴线方向为Y轴方向，第二轴线方向为X轴方向；2、如图7所示，截面与管壁内边缘的交点为原点，截面向外的方向为X轴正向，节点(图中应力点)与原点的距离Xn，为点的X轴坐标，纵向坐标为该点的正应力σ，1-1截面简化为的柱截面模型，见图7的右侧所示，其柱截面高度为壁厚H2，柱截面的宽度B为单位宽度。

S500：根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力，根据提取截面上各节点的剪应力，计算提取截面等效柱截面的剪力值。

弯矩是受力构件截面上的内力矩的一种。建筑学中，与杆件轴线相重合的内力称为轴力。基于提取截面上各节点的正应力可以计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力，基于提取截面上各节点的剪应力可以计算提取截面等效柱截面的剪力值。

非必要的，提取截面等效柱截面的剪力值可以采用采用平均剪应力法计算，具体来说，在应用实例中，1-1柱截面的剪力计算过程如下：假定图中应力点数为N，其中，第n个点的剪应力值为τ_n，则采用平均剪应力法计算1-1截面柱的剪力值F_Q如下：

非必要的，根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力的过程包括如下步骤：

步骤一：剔除提取截面上各节点的正应力中提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力。

步骤二：采用最小二乘法，将剔除后剩余的提取截面上各节点的正应力拟合为一条直线。

步骤三：根据拟合的直线，重新计算提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力。

步骤四：根据重新计算获得的提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力。

下面将采用具体实例，详细说明上述根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力的过程。1-1柱截面的轴力和弯矩计算过程如下：假定图中应力点数为N，其中，第n个点的正应力值为σ_n，在图7所示的直角坐标系中(截面与管壁内边缘的交点为原点，截面向外的方向为X轴正向)标定应力点，其中应力(图中应力点)与原点的距离Xn为改点的X坐标，其正应力值σ_n为点的纵坐标，最终的结果如图8所示。对误差偏大的应力点σ₁和σ_n进行剔除，这两个点偏离实际较多，主要是由于有限元计算中，应力的获得过程中的差分误差引起的，仅发生在边界位置。根据剩余的应力点2……N-1，共N-2个点，可以采用最小二乘法将改点拟合为一条直线σ＝a+b*X(该过程可以采用excell表格，matlab等成熟软件计算，也可以自行编辑程序完成)。获取该直线对应X＝0点的竖轴σ轴的值，为σ₁，对应X＝H2点的竖轴σ轴的值，为σ₂，则柱截面的弯矩和轴力计算结果如下：

式中，h为管壁厚度，具体来说h＝H2。

S600：根据提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值对提取截面进行配筋计算。

根据步骤S400、S500计算获得的提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值，对提取截面进行配筋计算。具体来说，配筋计算可以根据混凝土结构设计规范或水工混凝土结构设计规范，采用理正等软件直接计算得到。其中，提取截面等效柱截面的剪力值用于复核截面厚度是否满足抗剪要求。

S700：对钢筋混凝土管沟二维模型中提取的不同截面进行配筋计算，获得钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果。

步骤S400、S500以及S600只获得针对单个提取截面的配筋计算结果，针对钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面，采用上述相同的方式，来获得不同截面的配筋计算结果。具体来说，如图9所示，外侧主筋1对应柱截面的顶部配筋，若柱顶配筋为k1根，则外侧主筋间距为B/k1(B＝1000mm)，直径同柱顶钢筋直径，图9中外侧主筋2对应柱截面的底部配筋，若柱底配筋为k2根，则内侧主筋间距为B/k2(B＝1000mm)，直径同柱底钢筋直径。外侧分布筋3和内侧分布筋4按构造配置，一般比对应的主筋降低2个或者3个级别，间距取为150mm～200mm。配筋结果可以不同方向的侧壁，单一方向的侧壁也可以分成几段，每段的配筋，应考虑该段内的所有典型剖面及所有的工况组合中的最不利情况进行配置。

S800：根据钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果以及钢筋混凝土管沟尺寸参数，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。

基于步骤S100的钢筋混凝土管沟尺寸参数以及步骤S700最终获得的钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果，即可获得现浇钢筋混凝土管沟最终设计结果，实现对现浇钢筋混凝土管沟的准确设计。

本发明现浇钢筋混凝土管沟的设计方法，获取钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型，对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，对提取截面进行配筋计算，计算不同截面的配筋计算结果，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。整个过程中，基于有限元理论将三维模型转化为二维模型进行处理，并对二维模型进行有限元计算，获得提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，再对提取截面进行配筋计算，能够实现现浇钢筋混凝土管沟的准确设计。

如图10所示，一种现浇钢筋混凝土管沟的设计系统，包括：

参数获取模块100，用于获取钢筋混凝土管沟尺寸参数。

模型转换模块200，用于根据钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型。

有限元计算模块300，用于对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，有限元计算包括设计荷载及荷载工况组合确定、有限元网格的划分、材料参数的设定以及荷载施加与有限元静力分析。

第一计算模块400，用于提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力。

第二计算模块500，用于根据提取截面上各节点的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力，根据提取截面上各节点的剪应力，计算提取截面等效柱截面的剪力值。

第三计算模块600，用于根据提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值对提取截面进行配筋计算。

迭代模块700，用于控制第一计算模块400、第二计算模块500以及第三计算模块600对钢筋混凝土管沟二维模型中提取的不同截面进行配筋计算，获得钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果。

结果获取模块800，用于根据钢筋混凝土管沟二维模型中不同截面的配筋计算结果以及钢筋混凝土管沟尺寸参数，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。

本发明现浇钢筋混凝土管沟的设计系统，获取钢筋混凝土管沟尺寸参数，构建钢筋混凝土管沟三维模型，并根据有限元理论，将钢筋混凝土管沟三维模型转换为钢筋混凝土管沟二维模型，对钢筋混凝土管沟二维模型进行有限元计算，提取钢筋混凝土管沟二维模型中任意截面，根据有限元计算结果，获取提取的截面上各节点的正应力和剪应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，对提取截面进行配筋计算，计算不同截面的配筋计算结果，获得现浇钢筋混凝土管沟的设计结果。整个过程中，基于有限元理论将三维模型转化为二维模型进行处理，并对二维模型进行有限元计算，获得提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及剪力值，再对提取截面进行配筋计算，能够实现现浇钢筋混凝土管沟的准确设计。

在其中一个实施例中，第二计算模块500包括：

剔除单元，用于剔除提取截面上各节点的正应力中提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力。

拟合单元，用于采用最小二乘法，将剔除后剩余的提取截面上各节点的正应力拟合为一条直线。

重新计算单元，用于根据拟合的直线，重新计算提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力。

弯矩与轴力计算单元，用于根据重新计算获得的提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力以及提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力，计算提取截面等效柱截面的弯矩与轴力。

在其中一个实施例中，提取截面等效柱截面的弯矩与轴力计算公式分别为：

式中，M为提取截面的弯矩，N提取截面的轴力，σ₁为重新计算获得的提取截面与管壁内边缘的交点处对应的正应力，σ₂为重新计算获得的提取截面与管壁外边缘的交点处对应的正应力，h为管壁厚度，B为提取截面宽度。

在其中一个实施例中，第二计算模块500根据提取截面上各节点的剪应力，采用平均剪应力法计算提取截面等效柱截面的剪力值。

在其中一个实施例中，第三计算模块600用于根据提取截面上各节点的正应力、提取截面等效柱截面的弯矩与轴力以及提取截面等效柱截面的剪力值，并基于混凝土结构设计规范或水工混凝土结构设计规范，采用理正软件对提取截面进行配筋计算。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。