一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及水利工程技术领域中的环形输水隧洞预应力混凝土衬砌预应力钢绞线采用找形确定最优临时支架的方法，从而使用最少的支撑点来确保施工精度。


背景技术：

2.近年来随着国家对水工建设的投入，环锚无粘接预应力技术广泛应用于环形输水隧洞预应力混凝土衬砌中。在输水工程中输水隧洞预应力衬砌是工程的重要组成部分，而衬砌预应力的施加与预应力钢绞线的施工定位方式有着重要的关系，虽然环形隧洞预应力工程的设计和建设已较为成熟，但对于衬砌预应力钢绞线的找形定位方法，尚未发现成熟、系统的研究成果，只能从规范中获得两定位支撑钢筋间距范围和束形控制点设计位置偏差范围，在实际定位中使用此间距定位，发现钢绞线定位支架过于密集一般不予以采用，而束形控制点设计位置偏差无法满足对钢绞线整体线形精确控制的要求。
3.传统找形定位方法：在输水隧洞工程中预应力钢绞线因具有一定刚度，一般按经验选取定位点确定其大致线形，如每间隔45
°
沿圆周均匀布置，但在输水隧洞中预应力钢绞线的线形是设计好的已知的，一般为平滑过渡圆弧曲线，当按照上述经验确定其定位支架定位点，因钢绞线在自重作用下发生相应的变形，导致钢绞线的实际线形与设计线形出现偏差，也就不能保证钢绞线的定位精度；另一方面对于输水工程不同的工程有不同的工况，同一种定位经验不一定能适用多种情况，也就造成施工定位的不合理；最后由于按经验施工钢绞线的实际线形控制精度为未知，随着环形预应力技术的发展按照以往的找形定位经验，选取定位支架的定位点，已经无法满足预应力钢绞线定位技术的发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，该方法能够解决预应力钢绞线如何用最少的支撑定位点来保证施工定位精度，解决钢绞线在施工过程中线形精度控制的问题。
5.本发明的目的是以下述方式实现的：一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型；编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工临时定位支架；再对临时定位支架进一步优化，达到钢绞线理论线形和实际线形控制精度最优，定位支架布置间距合理。
6.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型的具体步骤如下：建立基本模型：输水隧洞采用双层双圈环锚无粘结预应力技术，在有限元软件ansys实际建模时，钢绞线双圈部分采用双倍钢绞线截面，弯起过渡弧和单截面部分钢绞线采用单倍钢绞线截面，以顶点为0
°
逆时针以5
°
为一个研究单元划分360
°
；钢绞线采用梁单元beam189，梁截面为实心圆形截面，其半径分别为17.8mm和8.9mm，计算线形采用钢绞线简
化设计线形；求解边界条件：约束顶点0
°
径向和环向变形，后每间隔5
°
约束研究单元链接处径向变形，对于过渡弧两边弯起点和过渡弧钢绞线中间点采取永久式径向约束，锚具槽处钢绞线简化形式在锚具槽出入口采用永久径向和环向约束；荷载为自重，输入输出单位为m；输出结果为柱坐标系下径向变形，此模型为找形研究起点。
7.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述找形目标为柱坐标系下的钢绞线径向变形，钢绞线径向变形控制在2mm以内。
8.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工最优临时定位支架的具体步骤如下：在基本模型条件下，通过编写apdl自动找形命令，实现钢绞线的自动找形，自动找形步骤为：先计算基本模型全约束状态下整体径向变形，保证线形平顺径向变形满足2mm控制要求；再去除底部支座，如变形满足控制要求，然后去除该支座；然后向上去除底部左右5
°
支座，再计算，如果满足变形控制要求；再向上去除底部左右10
°
支座，如果径向变形不满足控制要求就保留这个角度的支架；再把相邻的上部左右5
°
的支座去除再计算，如果径向变形在控制要求内就接着去掉上部相邻5
°
的支座；如此反复，实现自动计算，最后得出最终合理的结果；结合有限元计算结果分析，控制变形取值采用控制变形误差内常数值，采用常数逼近，进而来调整自动找形定位支架的位置、间距、数量，此优化后的定位支架为实际施工临时定位支架。
9.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：当两定位支架之间间距最大时，根据临时定位支架优化，增加定位支座，确保两支架最大夹角小于60
°
。
10.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：在实际工程中，内外层钢绞线弯起处定位支架间距较近，在内弯起点或外弯起点定位支架两者中的一个，同时承担内外层钢绞线定位的作用，在外起弯点定位支架归并。
11.上述隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：当两定位支架间距达过于密集时，取大于或等于规范值，则两定位支架最小夹角公开如下：α——两定位支架最小夹角；l——两定位支架间距规范值；r——预应力钢绞线的曲率半径，取最大曲率半径。
12.相对于现有技术，本发明能够具有以下技术效果：本发明简化环形预应力钢绞线实际线形，形成理论计算模型，结合计算机数值模拟有限元法提出一种对自重作用下对预应力钢绞线在实际施工中如何确定最优临时定位支架的方法及如何使用最少的支撑定位点来保证施工定位最优的问题。通过利用有限元软
件ansys模拟双层双圈钢绞线模型，编写对应的apdl自动找形命令，寻找到满足钢绞线控制精度的定位方式，即实际施工最优临时定位支架；在满足上述施工控制精度的前提下，对定位方式进一步优化，达到钢绞线理论线形和实际线形控制精度最优，定位支架布置间距合理的目的；一方面提供了钢绞线的线形控制理论依据，另一方面解决了如何用最少的定位支架施工定位的问题，解决了施工时钢绞线的形态控制、定位经济、系统、可控的目的，降低不必要资金与资源浪费问题，提高经济效益、社会效益和工程价值。
附图说明
13.图1是本发明钢绞线简化模型。
14.图2是本发明钢绞线实际线型。
15.图3是本发明通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线基本模型。
16.图4是本发明钢绞线的自动找形流程图。
17.图5是本发明临时定位支架分布图。
18.图6是本发明优化后的临时定位支架分布图。
具体实施方式
19.一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型；编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工临时定位支架；再对临时定位支架进一步优化，达到钢绞线理论线形和实际线形控制精度最优，定位支架布置间距合理。
20.本发明所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型的具体步骤如下：建立基本模型：输水隧洞采用双层双圈环锚无粘结预应力技术，在有限元软件ansys实际建模时，钢绞线双圈部分采用双倍钢绞线截面，弯起过渡弧和单截面部分钢绞线采用单倍钢绞线截面，以顶点为0
°
逆时针以5
°
为一个研究单元划分360
°
；钢绞线采用梁单元beam189，梁截面为实心圆形截面，其半径分别为17.8mm和8.9mm，计算线形采用钢绞线简化设计线形；求解边界条件：约束顶点0
°
径向和环向变形，后每间隔5
°
约束研究单元链接处径向变形，对于过渡弧两边弯起点和过渡弧钢绞线中间点采取永久式径向约束，锚具槽处钢绞线简化形式在锚具槽出入口采用永久径向和环向约束；荷载为自重，输入输出单位为m；输出结果为柱坐标系下径向变形，此模型为找形研究起点，后续找形逻辑基于此模型。所述找形目标为柱坐标系下的钢绞线径向变形，钢绞线径向变形控制在2mm以内。
21.本发明所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工最优临时定位支架的具体步骤如下：在基本模型条件下，通过编写apdl自动找形命令，实现钢绞线的自动找形，自动找形步骤为：先计算基本模型全约束状态下整体径向变形，保证线形平顺径向变形满足2mm控制要求；再去除底部支座，如变形满足控制要求，然后去除该支座；然后向上去除底部左右5
°
支座，再计算，如果满足变形控制要求；再向上去除底部左右10
°
支座，如果径向变形不满足控制要求就保留这个角度的支架；再把相邻的上部左右5
°
的支座去除再计算，如果径向变形在控制要求内就接着去掉上部相邻5
°
的支座；如此反复，实现自动计算，最后得出最终合理的结果；
结合有限元计算结果分析，控制变形取值采用控制变形误差内常数值，采用常数逼近，进而来调整自动找形定位支架的位置、间距、数量，此优化后的定位支架为实际施工临时定位支架。
22.本发明所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：当两定位支架之间间距最大时，根据临时定位支架优化，增加定位支座，确保两支架最大夹角小于60
°
。
23.在实际工程中，当内外层钢绞线弯起处定位支架间距较近，在内弯起点或外弯起点定位支架两者中的一个，同时承担内外层钢绞线定位的作用，在外起弯点定位支架归并。
24.当两定位支架间距达过于密集时，取大于或等于规范值，则两定位支架最小夹角公开如下：α——两定位支架最小夹角；l——两定位支架间距规范值；r——预应力钢绞线的曲率半径，取最大曲率半径。
25.本发明在实际实验时具体方法如下：珠三角水资源配置工程高压输水隧洞采用了双层双圈环锚无粘结预应力技术。输水隧洞洞径6.4m，衬砌厚度0.55m，内层钢绞线半径3.57m，外层钢绞线半径3.65m，内外层钢绞线间距为80mm，钢绞线采用高强低松驰无粘结1860mpa级φs17.8和φs15.2两种直径钢绞线，公称截面面积分别为191mm2和140mm2，密度为7.85g/cm3，弹性模量为1.95
×
105n/mm2，其中输水隧洞衬砌使用钢绞线直径为17.8mm，为便于研究对钢绞线线形进行了简化处理，模型如图1所示，实际线形，如图2所示。
26.结合工程背景找形定位具体实施方法找形方法：第一步：建立基本模型：输水隧洞采用双层双圈环锚无粘结预应力技术，在有限元软件ansys实际建模时，钢绞线双圈部分采用双倍钢绞线截面，弯起过渡弧和单截面部分钢绞线采用单倍钢绞线截面，以顶点为0
°
逆时针以5
°
为一个研究单元划分360
°
；钢绞线采用梁单元beam189，梁截面为实心圆形截面，其半径分别为17.8mm和8.9mm，计算线形采用钢绞线简化设计线形；求解边界条件：约束顶点0
°
径向和环向变形，后每间隔5
°
约束研究单元链接处径向变形，对于过渡弧两边弯起点和过渡弧钢绞线中间点采取永久式径向约束，锚具槽处钢绞线简化形式在锚具槽出入口采用永久径向和环向约束；荷载为自重，输入输出单位为m；输出结果为柱坐标系下径向变形。此模型为找形研究起点，后续找形逻辑基于此模型，如图3所示。找形目标：钢绞线径向变形控制在2mm内。
27.第二步在上述计算模型条件下，通过编写apdl自动找形命令，实现钢绞线的自动找形。自动找形步骤为：先计算基本模型全约束状态下整体径向变形，保证线形平顺径向变形满足2mm控制要求；再去除底部支座，如变形满足控制要求，然后去除该支座；然后向上去除底部
左右5
°
支座，再计算，如果满足变形控制要求；再向上去除底部左右10
°
支座，如果径向变形不满足控制要求就保留这个角度的支架；再把相邻的上部左右5
°
的支座去除再计算，如果径向变形在控制要求内就接着去掉上部相邻5
°
的支座；如此反复，实现自动计算，最后得出最终合理的结果，计算流程如图4所示。
28.第三步由上可知实现钢绞线自动找形的原理，但在有限元计算中控制变形取值可能为常数值、一次函数、二次函数取值等。在优化计算时，目标最优取值随着每次计算发生相应的改变，而这种变化规律是不易确定的，造成的结果就是控制变形取值的不确定性，推测其变化规律和钢绞线在自重情况下的变形规律有关。结合有限元计算结果分析，此处控制变形取值采用控制变形误差内常数值，采用常数逼近，以此值调整自动找形定位支架的位置、间距、数量。优化后临时定位支架分布如图5所示。
29.第五步由上述方法找形确定的定位支架，称为临时定位支架，满足施工时预应力钢绞线基本的线形控制要求，还需要进一步优化满足构造要求和定位合理，为解决定位支架的分布问题，这里提出三个优化点进一步优化临时定位支架的分布，解决钢绞线在施工时如何用最少的定位支架控制线形精度的方法。
30.第六步优化点之两定位支架最大间距（用于支架缺少时）：在上述找形优化中出现的其中一个问题是两支架间距过大，这种情况导致钢绞线有一大段处于无约束状态，虽然满足控制要求，但不利于钢绞线在外界因素或张拉状态下保证线形的平顺。为解决这一问题，根据临时定位支架优化，增加定位支座，确保两支架最大夹角不应大于60
°
。
31.第七步优化点之内外层钢绞线弯起点支架归并（用于支架合并时）：在实际工程中，内外层钢绞线弯起处定位支架间距较近，一般情况下可选择内弯起点或外弯起点定位支架两者中的一个，同时承担内外层钢绞线定位的作用，一般选择外起弯点定位支架归并效果好。
32.第八步优化点之两定位支架最小间距（用于支架密集时）：在上述优化完成时，此时可能遇到的另一个问题，定位支架间距太过于密集，需要删除多余支架。在输水隧洞中，对于钢绞线的两相邻定位支架间距取值，如采用规范值定位支架会显得密集，所以一般取大于或等于规范值，据此推导出两定位支架最小夹角公式如下：α——两定位支架最小夹角；l——两定位支架间距规范值；r——预应力钢绞线的曲率半径，取最大曲率半径；第九步
完成找形，上述方法用于指导施工时如何确定最优定位支架的数量及钢绞线的线形精度控制。最终找形优化如图6所示，最终平均控制精度1.0425mm满足计算目标小于2mm，定位支架间距分布合理，可用于此类工程施工时环形预应力钢筋找形控制的方法。
33.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型；编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工临时定位支架；再对临时定位支架进一步优化，达到钢绞线理论线形和实际线形控制精度最优，定位支架布置间距合理。2.根据权利要求1所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述通过有限元软件ansys模拟双层双圈钢绞线模型的具体步骤如下：建立基本模型：输水隧洞采用双层双圈环锚无粘结预应力技术，在有限元软件ansys实际建模时，钢绞线双圈部分采用双倍钢绞线截面，弯起过渡弧和单截面部分钢绞线采用单倍钢绞线截面，以顶点为0
°
逆时针以5
°
为一个研究单元划分360
°
；钢绞线采用梁单元beam189，梁截面为实心圆形截面，其半径分别为17.8mm和8.9mm，计算线形采用钢绞线简化设计线形；求解边界条件：约束顶点0
°
径向和环向变形，后每间隔5
°
约束研究单元链接处径向变形，对于过渡弧两边弯起点和过渡弧钢绞线中间点采取永久式径向约束，锚具槽处钢绞线简化形式在锚具槽出入口采用永久径向和环向约束；荷载为自重，输入输出单位为m；输出结果为柱坐标系下径向变形，此模型为找形研究起点。3.根据权利要求2所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述找形目标为柱坐标系下的钢绞线径向变形，钢绞线径向变形控制在2mm以内。4.根据权利要求3所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述编写对应的apdl自动找形命令，找到实际施工最优临时定位支架的具体步骤如下：在基本模型条件下，通过编写apdl自动找形命令，实现钢绞线的自动找形，自动找形步骤为：先计算基本模型全约束状态下整体径向变形，保证线形平顺径向变形满足2mm控制要求；再去除底部支座，如变形满足控制要求，然后去除该支座；然后向上去除底部左右5
°
支座，再计算，如果满足变形控制要求；再向上去除底部左右10
°
支座，如果径向变形不满足控制要求就保留这个角度的支架；再把相邻的上部左右5
°
的支座去除再计算，如果径向变形在控制要求内就接着去掉上部相邻5
°
的支座；如此反复，实现自动计算，最后得出最终合理的结果；结合有限元计算结果分析，控制变形取值采用控制变形误差内常数值，采用常数逼近，进而来调整自动找形定位支架的位置、间距、数量，此优化后的定位支架为实际施工临时定位支架。5.根据权利要求4所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：当两定位支架之间间距最大时，根据临时定位支架优化，增加定位支座，确保两支架最大夹角小于60
°
。6.根据权利要求4所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：在实际工程中，内外层钢绞线弯起处定位支架间距较近，在内弯起点或外弯起点定位支架两者中的一个，同时承担内外层钢绞线定位的作用，在外起弯点定位支架归并。7.根据权利要求4所述的隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，其特征在于，所述对临时定位支架进一步优化的具体步骤如下：当两定位支架间距达过于密集时，取大于或等于规范值，则两定位支架最小夹角公开
如下：α——两定位支架最小夹角；l——两定位支架间距规范值；r——预应力钢绞线的曲率半径，取最大曲率半径。

技术总结
一种隧洞环形预应力钢筋找形控制方法，通过有限元软件ANSYS模拟双层双圈钢绞线模型；编写对应的APDL自动找形命令，找到实际施工临时定位支架；再对临时定位支架进一步优化，达到钢绞线理论线形和实际线形控制精度最优，定位支架布置间距合理。本发明简化环形预应力钢绞线实际线形，形成理论计算模型，结合计算机数值模拟有限元法提出一种对自重作用下对预应力钢绞线在实际施工中如何确定最优临时定位支架的方法及如何使用最少的支撑定位点来保证施工定位最优的问题。通过利用有限元软件ANSYS模拟双层双圈钢绞线模型，编写对应的APDL自动找形命令，寻找到满足钢绞线控制精度的定位方式，即实际施工最优临时定位支架。即实际施工最优临时定位支架。


技术研发人员：乔国龙 李晓克 薛广文 姚广亮 严振瑞 陈震 郑思源 陈宇光 赵顺波
受保护的技术使用者：华北水利水电大学 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/24