[发明专利]管幕预筑结构及其设计方法

权利要求书

1.管幕预筑结构的设计方法，用以设计管幕预筑结构，其特征在于，所述管幕预筑结构包括：

多个沿隧道轴线方向布设的切割钢管；

多个成对设置的衔接钢板，分别对应设于相邻的两个所述切割钢管之间，多个所述切割钢管和多个所述衔接钢板围合形成环状连通空腔；以及

多个立柱，在隧道径向面上，每两个所述立柱共同设于一对所述衔接钢板之间；

在每个所述切割钢管内，所述切割钢管位于隧道径向线方向上的中心线两侧均设有若干个对拉钢筋；

管幕预筑结构的设计方法包括以下步骤：

建立管幕预筑结构有限元模型；

根据所述管幕预筑结构有限元模型，计算在所述切割钢管不同位置设置所述对拉钢筋时的承载力；

根据承载力和施工布置位置，确定所述对拉钢筋在所述切割钢管内的位置；

建立管幕预筑结构实际模型，验证所述管幕预筑结构有限元模型的正确性；

将所述切割钢管的厚度和所述衔接钢板的厚度进行折减，将所述切割钢管、所述衔接钢板及其内部混凝土等效为同等面积配筋的钢筋混凝土偏压构件，按照钢筋混凝土偏压构件计算所述管幕预筑结构的承载能力和结构尺寸。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在所述中心线两侧分别设有两组所述对拉钢筋，对于所述中心线一侧的两组所述对拉钢筋，在所述衔接钢板与所述切割钢管的连接处至所述中心线的范围内，定义所述切割钢管的圆弧为全长度，其中一组所述对拉钢筋设于所述全长度的二分之一处，其中另一组所述对拉钢筋设于所述全长度靠近所述衔接钢板的四分之一处。

3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在所述将所述切割钢管的厚度和所述衔接钢板的厚度进行折减，将所述切割钢管、所述衔接钢板及其内部混凝土等效为同等面积配筋的钢筋混凝土偏压构件，按照钢筋混凝土偏压构件计算所述管幕预筑结构的承载能力和结构尺寸的步骤中，

所述管幕预筑结构视为钢筋混凝土偏压构件，其正截面轴向压力设计值的计算公式为：

；

其正截面轴向压力合力点弯矩设计值的计算公式为：

；

式中：为与正截面弯矩设计值对应的轴向压力设计值，为受压区混凝土压应力影响系数，为混凝土抗压强度设计值，为等效矩形应力图的截面宽度，为等效矩形应力图的混凝土受压区高度，为受压钢筋抗压强度设计值，为受压钢筋截面面积，为受压钢板抗压强度设计值，为受压钢板截面面积，为受拉钢筋应力设计值，为受拉钢筋截面面积，为受拉钢板应力设计值，为受拉钢板截面面积，为轴向压力作用点至受拉钢筋合力点的距离，为等效矩形应力图的有效截面高度，为等效矩形应力图中受压钢筋与受压钢板之间的距离，为受压钢板的等效厚度。

4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，对于所述受拉钢筋应力设计值和所述受拉钢板应力设计值，按以下两种情况计算：

当所述等效矩形应力图的混凝土受压区高度时，，；

当所述等效矩形应力图的混凝土受压区高度时，

，，

其中，；

式中：为受拉钢筋抗拉强度设计值，为受拉钢板抗拉强度设计值，为相对界线受压区高度，为受压区混凝土应力图形影响系数。

5.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述轴向压力作用点至受拉钢筋合力点的距离的计算公式为：

，式中：为初始偏心距，为等效矩形应力图的最小截面高度，为等效矩形应力图中受拉钢板与受拉钢筋合力点的距离；

所述初始偏心距的计算公式为：

，式中：为轴向压力对截面重心的偏心距，为附加偏心距；

所述轴向压力对截面重心的偏心距的计算公式为：

。

6.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，定义为受压钢板的实际厚度，所述受压钢板的等效厚度、所述轴向压力作用点至受拉钢筋合力点的距离、所述受压钢板的实际厚度之间具有预设关系比，根据所述预设关系比，所述受压钢板的等效厚度的计算公式为：。