技术领域
[0001] 本
发明涉及基建工程技术领域，尤其是开裂
钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法及系统。
背景技术
[0002] 高压输
水隧洞是输水工程中的重要结构型式，若采用
钢筋混凝土内衬，则内衬在高内水压下极容易开裂；若采用内衬、外衬以及围岩共同受
力的联合受力模式进行设计，则开裂前后由于内衬的弹性模量发生了改变，外衬、围岩的受力状态也随之会发生改变。
[0003] 由此可见，钢筋混凝土内衬开裂前后弹性模量的变化是复合衬砌与围岩共同受力的关键所在。目前还缺乏钢筋混凝土开裂后其受力
刚度计算的有效方法。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明
实施例提供一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法及系统，来为复合衬砌以及其他需要应用混凝土开裂后模量变化应用的工程提供参考。
[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法，包括以下步骤：
[0006] 分析混凝土开裂
位置的钢筋与混凝土共同受力的
应力-应变表现数据；
[0007] 根据应力-应变表现数据建立裂缝位置钢筋混凝土受拉的力学模型；
[0008] 确定裂缝两侧的受拉钢筋长度；
[0009] 根据受拉钢筋长度，对所述力学模型进行简化处理，得到统一受拉力学模型；
[0010] 根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度；
[0011] 确定裂缝的条数；
[0012] 根据裂缝条数和开裂钢筋混凝土的弹性模量度，计算得到开裂钢筋混凝土的整体弹性模量。
[0013] 进一步，所述根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度这一步骤，包括以下步骤：
[0014] 确定未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0015] 确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围；
[0016] 根据未开裂位置钢筋混凝土的长度和钢筋受力影响范围，计算钢筋混凝土构件的总长度；
[0017] 根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量；
[0018] 根据钢筋混凝土的拉伸量，计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度。
[0019] 进一步，所述分析混凝土开裂位置的钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据这一步骤中，所述钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据为纯钢筋的应力-应变表现数据。
[0020] 进一步，所述确定裂缝两侧的受拉钢筋长度这一步骤，包括以下步骤：
[0022] 确定钢筋的带肋状况；
[0023] 确定钢筋与混凝土之间的粘结特性；
[0024] 根据所述抗拉强度、带肋状况和粘结特性，计算裂缝两侧的受拉钢筋长度。
[0025] 进一步，所述确定未开裂位置钢筋混凝土的长度这一步骤，其具体为：根据裂缝的分布与总数计算未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0026] 所述确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围这一步骤，其具体为：根据周边约束计算开裂位置，通过试验确定裂缝两侧的钢筋受力影响范围。
[0027] 进一步，所述根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量这一步骤，其具体为：
[0028] 确定钢筋混凝土的截面积和钢筋的截面积；
[0029] 确定混凝土的弹性模量和钢筋的弹性模量；
[0030] 根据钢筋混凝土构件的总长度、钢筋混凝土的截面积、钢筋的截面积、混凝土的弹性模量和钢筋的弹性模量，计算钢筋混凝土的拉伸量。
[0031] 第二方面，本发明实施例还提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算系统，包括：
[0032] 分析模
块，用于分析混凝土开裂位置的钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据；
[0033] 模型构建模块，用于根据应力-应变表现数据建立裂缝位置钢筋混凝土受拉的力学模型；
[0034] 第一计算模块，用于确定裂缝两侧的受拉钢筋长度；
[0035] 简化处理模块，用于根据受拉钢筋长度，对所述力学模型进行简化处理，得到统一受拉力学模型；
[0036] 第二计算模块，用于根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度；
[0037] 确定模块，用于确定裂缝的条数；
[0038] 第三计算模块，用于根据裂缝条数和开裂钢筋混凝土的弹性模量度，计算得到开裂钢筋混凝土的整体弹性模量。
[0039] 进一步，所述第二计算模块包括：
[0040] 第一计算单元，用于确定未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0041] 第二计算单元，用于确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围；
[0042] 第三计算单元，用于根据未开裂位置钢筋混凝土的长度和钢筋受力影响范围，计算钢筋混凝土构件的总长度；
[0043] 第四计算单元，用于根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量；
[0044] 第五计算单元，用于根据钢筋混凝土的拉伸量，计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度。
[0045] 进一步，所述确定模块包括：
[0046] 第一确定单元，用于确定混凝土的抗拉强度；
[0047] 第二确定单元，用于确定钢筋的带肋状况；
[0048] 第三确定单元，用于确定钢筋与混凝土之间的粘结特性；
[0049] 受拉钢筋长度计算单元，用于根据所述抗拉强度、带肋状况和粘结特性，计算裂缝两侧的受拉钢筋长度。
[0050] 第三方面，本发明实施例提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算系统，包括：
[0051] 至少一个处理器；
[0052] 至少一个
存储器，用于存储至少一个程序；
[0053] 当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法。
[0054] 上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过对裂缝位置的钢筋混凝土的共同受力特性进行分析和简化；接着确定裂缝两侧具有较高应力的钢筋长度；然后将裂缝位置的简化结果与受拉钢筋长度计算结果合并考虑；最终得到开裂后钢筋混凝土的整体弹性模量；本发明力学概念明确，计算简便，可为开裂钢筋混凝土的模量变化提供一个有效、简便的实用计算方法，能够为复合衬砌以及其他需要应用混凝土开裂后模量变化应用的工程提供参考。
附图说明
[0056] 图2为本发明实施例的钢筋混凝土开裂1条裂缝后受拉分析力学模型示意图；
[0057] 图3为本发明实施例的钢筋混凝土开裂n条裂缝后后受拉分析力学模型示意图；
[0058] 图4为本发明实施例的裂缝两侧钢筋受力范围示意图。
具体实施方式
[0059] 下面结合
说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0060] 参照图1，本发明实施例提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法，包括以下步骤：
[0061] 分析混凝土开裂位置的钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据；
[0062] 根据应力-应变表现数据建立裂缝位置钢筋混凝土受拉的力学模型；
[0063] 确定裂缝两侧的受拉钢筋长度；
[0064] 根据受拉钢筋长度，对所述力学模型进行简化处理，得到统一受拉力学模型；
[0065] 根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度；
[0066] 确定裂缝的条数；
[0067] 根据裂缝条数和开裂钢筋混凝土的弹性模量度，计算得到开裂钢筋混凝土的整体弹性模量。
[0068] 进一步作为优选的实施方式，所述根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度这一步骤，包括以下步骤：
[0069] 确定未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0070] 确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围；
[0071] 根据未开裂位置钢筋混凝土的长度和钢筋受力影响范围，计算钢筋混凝土构件的总长度；
[0072] 根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量；
[0073] 根据钢筋混凝土的拉伸量，计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度。
[0074] 进一步作为优选的实施方式，所述分析混凝土开裂位置的钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据这一步骤中，所述钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据为纯钢筋的应力-应变表现数据。
[0075] 进一步作为优选的实施方式，所述确定裂缝两侧的受拉钢筋长度这一步骤，包括以下步骤：
[0076] 确定混凝土的抗拉强度；
[0077] 确定钢筋的带肋状况；
[0078] 确定钢筋与混凝土之间的粘结特性；
[0079] 根据所述抗拉强度、带肋状况和粘结特性，计算裂缝两侧的受拉钢筋长度。
[0080] 进一步作为优选的实施方式，所述确定未开裂位置钢筋混凝土的长度这一步骤，其具体为：根据裂缝的分布与总数计算未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0081] 所述确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围这一步骤，其具体为：根据周边约束计算开裂位置，通过试验确定裂缝两侧的钢筋受力影响范围。
[0082] 进一步作为优选的实施方式，所述根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量这一步骤，其具体为：
[0083] 确定钢筋混凝土的截面积和钢筋的截面积；
[0084] 确定混凝土的弹性模量和钢筋的弹性模量；
[0085] 根据钢筋混凝土构件的总长度、钢筋混凝土的截面积、钢筋的截面积、混凝土的弹性模量和钢筋的弹性模量，计算钢筋混凝土的拉伸量。
[0086] 与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算系统，包括：
[0087] 分析模块，用于分析混凝土开裂位置的钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现数据；
[0088] 模型构建模块，用于根据应力-应变表现数据建立裂缝位置钢筋混凝土受拉的力学模型；
[0089] 第一计算模块，用于确定裂缝两侧的受拉钢筋长度；
[0090] 简化处理模块，用于根据受拉钢筋长度，对所述力学模型进行简化处理，得到统一受拉力学模型；
[0091] 第二计算模块，用于根据统一受拉力学模型计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度；
[0092] 确定模块，用于确定裂缝的条数；
[0093] 第三计算模块，用于根据裂缝条数和开裂钢筋混凝土的弹性模量度，计算得到开裂钢筋混凝土的整体弹性模量。
[0094] 进一步作为优选的实施方式，所述第二计算模块包括：
[0095] 第一计算单元，用于确定未开裂位置钢筋混凝土的长度；
[0096] 第二计算单元，用于确定开裂位置以及裂缝两侧的钢筋受力影响范围；
[0097] 第三计算单元，用于根据未开裂位置钢筋混凝土的长度和钢筋受力影响范围，计算钢筋混凝土构件的总长度；
[0098] 第四计算单元，用于根据钢筋混凝土构件的总长度，计算钢筋混凝土的拉伸量；
[0099] 第五计算单元，用于根据钢筋混凝土的拉伸量，计算开裂钢筋混凝土的弹性模量度。
[0100] 进一步作为优选的实施方式，所述确定模块包括：
[0101] 第一确定单元，用于确定混凝土的抗拉强度；
[0102] 第二确定单元，用于确定钢筋的带肋状况；
[0103] 第三确定单元，用于确定钢筋与混凝土之间的粘结特性；
[0104] 受拉钢筋长度计算单元，用于根据所述抗拉强度、带肋状况和粘结特性，计算裂缝两侧的受拉钢筋长度。
[0105] 与图1的方法相对应，本发明实施例提供了一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算系统，包括：
[0106] 至少一个处理器；
[0107] 至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0108] 当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法。
[0109] 下面详细描述本发明一种开裂钢筋混凝土的整体弹性模量计算方法的具体实施步骤：
[0110] S1、分析混凝土开裂位置钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现；
[0111] 具体的，本实施例根据多项混凝土构件拉伸试验证明，混凝土在受到应力超过其极限承载力后会产生
软化现象，此时，开裂处混凝土随着应变的增加，其应力反而是下降的。而此时开裂处的钢筋进入主要受力状态，是外力的主要承担者，在这种软化混凝土与受力钢筋耦合的情况下，经试验验证，裂缝位置钢筋混凝土的弹性模量与钢筋的弹性模量基本一致，因此S1中所述开裂位置钢筋与混凝土共同受力的应力-应变表现可简化等同于纯钢筋的应力-应变表现，这也就是S2中所述的裂缝位置钢筋混凝土受拉力学模型。
[0112] S2、根据S1的结果建立裂缝位置钢筋混凝土受拉的力学模型；
[0113] S3、确定裂缝两侧受拉钢筋的影响长度；
[0114] 具体的，裂缝两侧受拉钢筋的影响长度取决于混凝土的抗拉强度、钢筋是否带肋以及钢筋与混凝土二者之间的粘结特性等。可通过试验确定该影响长度。在没有试验的情况下，可粗略的取裂缝两侧每侧影响长度为17.5d～35d来进行计算，其中d为钢筋的直径。该范围内混凝土分担拉力和
变形能力可忽略不计。
[0115] S4、将S2与S3的结果合并处理，简化力学模型，进行统一计算；
[0116] 具体的，本实施例的合并处理方法为：受拉钢筋的长度应该按照S2中钢筋长度与S3中钢筋长度之和求取，但对于一般的工程，S2的钢筋长度远远小于S3的钢筋长度，因此二者之和基本等于S3的钢筋长度，为简化计算可取S3的钢筋长度作为受拉钢筋的计算长度，进而建立统一的受拉力学模型。
[0117] S5、将S4的结果与为开裂的混凝土长度进行
串联模型计算；
[0118] 如附图2所示，记混凝土的
弹簧刚度为k1，钢筋的弹簧刚度为k2，其中,未开裂位置钢筋混凝土(长度记为lcg，单位m)按照混凝土的刚度计算，如图4所示，开裂位置以及裂缝两侧钢筋受力影响范围内(长度记为lg，单位m)的位置按照钢筋的刚度计算。
[0119] 则钢筋混凝土构件的总长度l为：
[0120] l＝lcg+lg
[0121] 受到拉力N(单位：N)后，钢筋混凝土的拉伸量s(单位m)为：
[0122]
[0123] 式中，A、Ag分别为钢筋混凝土和钢筋的截面积，单位m2，由于混凝土的面积和钢筋混凝土的面积基本一致，此处取钢筋混凝土的截面积作为混凝土的面积进行计算；Ecg、Eg分别为混凝土和钢筋的弹性模量，单位Pa。
[0124] 从上式可以看到，钢筋混凝土开裂后弹性模量实际减小为混凝土弹性模量的y倍,即
[0125]
[0126] S6、确定裂缝的条数，最终得到开裂钢筋混凝土的整体弹性模量。
[0127] 具体的，如图3所示，若钢筋混凝土构件开裂n条裂缝，则整体的弹性模量降低的计算式为：
[0128]
[0129] 此时，钢筋混凝土开裂后弹性模量实际减小为混凝土弹性模量的y倍。
[0130]
[0131] 下面以外径6m，厚度30cm钢筋混凝土隧洞内衬开裂6条裂缝，配筋率为1％(即A/Ag＝100)，钢筋直径d＝25mm，Ecg＝31.5GPa，Eg＝200GPa对本发明的计算方法进行说明：
[0132] 取混凝土内衬
中轴线计算混凝土内衬的周长，及内衬受拉总长度：
[0133] l＝πD＝3.14×(6-2×0.3)＝16.956m≈17m
[0134] 对于裂缝一侧钢筋影响长度为35d(每条裂缝两侧共70d)工况：
[0135]
[0136] 对于裂缝一侧钢筋影响长度为17.5d(每条裂缝两侧共35d)工况：
[0137]
[0138] 这样，钢筋混凝土内衬开裂后的刚度约为原钢筋混凝土结构的1/6～1/10。
[0139] 最小刚度则为把配筋看作纯钢筋，不考虑砼作用。此时nlg＝l，
[0140]
[0141] 也就是说，若完全不考虑内衬混凝土的作用，仅内衬钢筋作用，则弹性模量降低为原来的1/16。说明钢筋混凝土开裂后，由于混凝土的作用，其刚度高于纯钢筋的刚度的效果。有了这个刚度，则可以用于钢筋混凝土开裂后与其他受力构件进行共同作用计算。
[0142] 在一些可选择的实施例中，在方
框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0143] 此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或
软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或
软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在
权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0144] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对
现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，
服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动
硬盘、
只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、
随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0145] 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定
序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0146] 计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(
电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0147] 应当理解，本发明的各部分可以用
硬件、软件、
固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据
信号实现逻辑功能的
逻辑门电路的离散
逻辑电路，具有合适的组合
逻辑门电路的
专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，
现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0148] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0149] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本
申请权利要求所限定的范围内。
