摘要 介紹公路隧道計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、原理、組成及主要功能。
根據(jù)我國(guó)公路建設(shè)的總體規(guī)劃, 到本世紀(jì)末, 高等級(jí)公路將貫穿兩縱、兩橫4 條國(guó)道主干線(xiàn), 連接100 多個(gè)大、中城市, 全長(zhǎng)約1145 萬(wàn)km , 3 條總長(zhǎng)3 320km 的國(guó)道主干線(xiàn)將在2000 年建成汽車(chē)專(zhuān)用公路。面對(duì)公路建設(shè)迅速發(fā)展, 隧道設(shè)計(jì)日益繁重的局面, 必須改變手工或計(jì)算機(jī)描圖等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法, 開(kāi)發(fā)公路隧道CAD 系統(tǒng)。
70 年代以來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, CAD 技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展并在許多領(lǐng)域取得了可喜的成果。在隧道設(shè)計(jì)方面也進(jìn)行了一些初步嘗試, 但還局限于少量計(jì)算機(jī)圖紙繪制和局部計(jì)算上, 難以形成一套完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
公路隧道CAD 系統(tǒng)作為公路隧道整體式襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品, 已于1995 年由我院研制成功, 并通過(guò)沈陽(yáng)鐵路局級(jí)鑒定, 鑒定認(rèn)為該系統(tǒng)已達(dá)到當(dāng)代國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。目前, 該系統(tǒng)已在公路隧道設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用。
1 設(shè)計(jì)思想和原則
11 襯砌形式為直墻、曲墻拱型整體式襯砌。
21 系統(tǒng)按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì), 借鑒鐵路隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 同時(shí)考慮南北地區(qū)差別。
31 功能上主要解決復(fù)雜的計(jì)算和繁瑣的圖紙繪制。
41 界面良好, 兼容性強(qiáng), 功能完善。
2 系統(tǒng)主要組成、設(shè)計(jì)原理及功能
公路隧道CAD 系統(tǒng)是以FOXPRO 系統(tǒng)為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái), 采用4 GL 編制而成。主要由信息輸入軟件、計(jì)算軟件和繪圖軟件3 大模塊組成, 其內(nèi)容涉及隧道橫、縱斷面設(shè)計(jì)、洞門(mén)設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)、明洞設(shè)計(jì)等幾大系統(tǒng)。
211 信息輸入軟件
隧道設(shè)計(jì)所需各種原始數(shù)據(jù)及參數(shù)均通過(guò)人機(jī)交互界面輸入, 并存入共享數(shù)據(jù)庫(kù), 可隨時(shí)修改。另外, 該軟件擁有強(qiáng)大的, 解釋性的隨機(jī)幫助系統(tǒng), 輸入數(shù)據(jù)時(shí)如有疑問(wèn), 可隨時(shí)按熱鍵【shift + F1 】查詢(xún)。
11 橫縱斷面信息輸入
橫縱斷面信息是隧道設(shè)計(jì)中反映山體地形的原始數(shù)據(jù), 由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量而得, 是決定隧道長(zhǎng)度、道路坡度等內(nèi)容的主要因素。當(dāng)信息輸入后, 軟件將根據(jù)測(cè)點(diǎn)里程對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)排序并保存。設(shè)計(jì)者可通過(guò)繪圖軟件繪制不同比例的草圖進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選。
21 地質(zhì)信息輸入
地質(zhì)信息輸入除需輸入由現(xiàn)場(chǎng)勘探及試驗(yàn)分析獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外, 還需輸入襯砌混凝土及襯砌內(nèi)力分析所需的各種參數(shù)。軟件將按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》自動(dòng)計(jì)算判別隧道是否深埋、淺埋或偏壓。 31 內(nèi)外輪廓尺寸擬定
隧道內(nèi)外輪廓尺寸擬定是隧道設(shè)計(jì)的重心部分, 直接關(guān)系著隧道的穩(wěn)固性及工程造價(jià)。一般來(lái)說(shuō), 隧道內(nèi)輪廓是由隧道限界而定, 其凈寬是固定的, 其凈高可通過(guò)邊墻高及拱高來(lái)調(diào)整。同時(shí), 隧道襯砌厚度又決定著隧道外輪廓尺寸。要使隧道內(nèi)外輪廓尺寸設(shè)計(jì)合理, 通常需經(jīng)過(guò)多次試算、調(diào)整才能優(yōu)化設(shè)計(jì)。該軟件的單心直墻、三心直墻、三心曲墻3 種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)界面成功地使數(shù)據(jù)輸入、修改變得非常方便。當(dāng)某些影響因素發(fā)生變化時(shí), 可通過(guò)計(jì)算機(jī)迅速計(jì)算。并可通過(guò)繪圖軟件繪制橫斷面圖供設(shè)計(jì)者進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
41 明洞配筋設(shè)計(jì)
在隧道出入口附近及覆蓋層很薄的地段, 一般需設(shè)明洞。設(shè)計(jì)者先擬定明洞內(nèi)外輪廓尺寸, 再?gòu)臐L動(dòng)窗口中選擇鋼筋材料、主筋直徑、縱筋直徑、箍筋直徑及輸入箍筋間距、保護(hù)層厚度等。軟件將自動(dòng)計(jì)算各單元節(jié)點(diǎn)處的安全系數(shù)。
51 洞門(mén)尺寸擬定
隧道洞門(mén)型式很多, 常見(jiàn)的有端墻式、翼墻式和柱式3 種, 該軟件針對(duì)3 種洞門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸入界面, 設(shè)計(jì)者可根據(jù)交互界面的數(shù)據(jù)輸入要求擬定洞門(mén)細(xì)部尺寸。也可在ACAD 下調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)洞門(mén)圖并修改其尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)自動(dòng)檢算其穩(wěn)定性及強(qiáng)度, 并提出數(shù)據(jù)修改建議。
61 電纜槽尺寸擬定
電纜槽是隧道的附屬設(shè)備, 通常設(shè)在人行道板下面。該軟件可完成電纜槽細(xì)部尺寸擬定, 并可設(shè)計(jì)電纜槽蓋板尺寸及配筋。同時(shí), 繪制電纜槽大樣圖, 并對(duì)材料的組成及數(shù)量加以統(tǒng)計(jì)。
71 洞內(nèi)排水溝設(shè)計(jì)
該軟件根據(jù)南北地區(qū)的氣候差異, 可設(shè)計(jì)兩種排水方式。在氣候溫和地區(qū)采用單側(cè)溝或雙側(cè)溝排水, 在氣候寒冷地區(qū)采用中心暗溝排水并設(shè)保溫出水。同時(shí), 生成排水溝大樣圖及主要工程數(shù)量表。
212 計(jì)算軟件
該軟件全部用C 語(yǔ)言編制而成, 主要由內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算、襯砌內(nèi)力分析計(jì)算、明洞配筋計(jì)算及洞門(mén)穩(wěn)定性計(jì)算等幾個(gè)子程序組成。
11 內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算
該軟件根據(jù)設(shè)計(jì)者擬定的內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算隧道內(nèi)外拱半徑、曲邊墻半徑、仰拱半徑、圓心角及圓心位置等。并可通過(guò)繪圖軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)格式的橫斷面設(shè)計(jì)圖。同時(shí), 軟件計(jì)算土石開(kāi)挖量、襯砌混凝土量(包括仰拱或底版) 等, 并根據(jù)不同的圍巖類(lèi)別分別按6cm 、8cm 、10cm 、12cm 計(jì)算超挖回填量。
21 襯砌內(nèi)力分析計(jì)算
襯砌內(nèi)力分析計(jì)算一直是手工設(shè)計(jì)中的難點(diǎn), 需經(jīng)過(guò)多次重復(fù)計(jì)算才能使襯砌輪廓尺寸設(shè)計(jì)合理。一般手工設(shè)計(jì)隧道的計(jì)算方法是鏈桿法, 即把拱圈簡(jiǎn)化為拱腳彈性固定于圍巖上的無(wú)鉸拱, 邊墻按彈性地基梁進(jìn)行分析計(jì)算, 并未考慮襯砌與圍巖之間的共同作用, 因此不能真實(shí)地反映襯砌受力及變形的實(shí)際情況。該軟件采用的矩陣位移法是按照局部變形理論的溫氏(Winkler) 假定, 以彈性抗力系數(shù)K 來(lái)體現(xiàn)圍巖與襯砌之間相互制約相互傳力的共同作用, 大大提高了襯砌內(nèi)力分析精度。使襯砌輪廓尺寸設(shè)計(jì)更趨于合理。
根據(jù)矩陣位移法計(jì)算襯砌的基本步驟, 該軟件的主要計(jì)算功能如下:
1.(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的襯砌內(nèi)外輪廓尺寸、襯砌離散單元數(shù)等將襯砌斷面分為若干個(gè)長(zhǎng)度相等的等直桿單元, 計(jì)算各單元的長(zhǎng)度L 、面積S 、慣性矩I 、單元軸線(xiàn)與水平線(xiàn)夾角α、各節(jié)點(diǎn)半徑方向與豎直軸的夾角ψ及節(jié)點(diǎn)處彈性鏈桿的作用長(zhǎng)度L ′。
( 2) 將作用在襯砌上的垂直、水平圍巖壓力及襯砌自重按深埋、淺埋或偏壓化為等效節(jié)點(diǎn)荷載。
( 3) 按矩陣位移法進(jìn)行襯砌內(nèi)力分析, 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q 。
( 4) 計(jì)算軸向力偏心矩E 及強(qiáng)度安全系數(shù)K 。
31 明洞配筋計(jì)算
按明洞斷面輪廓尺寸進(jìn)行內(nèi)力分析, 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q , 根據(jù)內(nèi)力結(jié)果計(jì)算隧道縱向每延長(zhǎng)米主筋根數(shù), 并檢算襯砌截面最小配筋率, 統(tǒng)計(jì)鋼筋種類(lèi)及數(shù)量。
41 洞門(mén)計(jì)算
洞門(mén)的作用在于抵抗邊坡和仰坡地層的主動(dòng)側(cè)壓力, 防止邊坡和仰坡的坍塌, 因此可視為擋土墻, 按庫(kù)侖理論進(jìn)行計(jì)算。
1. (1) 將端墻式洞門(mén)視為具有很大孔洞的擋土墻, 檢算端墻最高、受力最大部分的強(qiáng)度及穩(wěn)定性, 并以此確定整個(gè)洞門(mén)墻的主要擬定尺寸是否合理。洞門(mén)墻臺(tái)階埋入部分及洞門(mén)墻和襯砌連接部分, 對(duì)洞門(mén)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有利, 不考慮其影響因素是偏于安全的。
(2) 翼墻式洞門(mén)是由洞門(mén)墻和翼墻一起共同承受隧道縱向和橫向的主動(dòng)水平壓力, 其本身是一個(gè)空間結(jié)構(gòu), 為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 該軟件分別驗(yàn)算下列內(nèi)容:
a1 驗(yàn)算翼墻 取洞門(mén)端墻址前之翼墻寬1m 的條帶, 不考慮翼墻與端墻間的連結(jié)抗剪作用, 除驗(yàn)算墻身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外, 還驗(yàn)算基底的偏心及進(jìn)行應(yīng)力檢算。
b1 驗(yàn)算端墻 取端墻最不利部分, 驗(yàn)算其強(qiáng)度偏心。如果端墻和洞口環(huán)節(jié)襯砌不是用同一材料整體砌筑時(shí), 軟件還將驗(yàn)算整個(gè)端墻強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
c1 端墻與翼墻共同作用的驗(yàn)算 驗(yàn)算翼墻與端墻連結(jié)部分的端墻自重和翼墻全部重量共同抵抗作用在翼墻與端墻連結(jié)部分的端墻上的土層主動(dòng)水平壓力, 使之不會(huì)滑動(dòng)。
(3) 柱式洞門(mén)視其是否帶有翼墻, 分別按翼墻式、端墻式洞門(mén)驗(yàn)算。
213 繪圖軟件
該軟件全部用內(nèi)嵌在AutoCAD 下的L ISP 語(yǔ)言編制而成, 采用圖形數(shù)據(jù)庫(kù)控制圖紙生成?？赏瓿梢韵赂黝?lèi)圖紙的繪制: 隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖; 不同圍巖類(lèi)別的襯砌斷面設(shè)計(jì)圖; 明洞襯砌斷面設(shè)計(jì)圖; 明洞配筋設(shè)計(jì)圖; 洞門(mén)平面設(shè)計(jì)圖; 洞門(mén)立面設(shè)計(jì)圖; 襯砌防排水設(shè)計(jì)圖; 洞內(nèi)排水設(shè)計(jì)圖; 中心排水溝及檢查井設(shè)計(jì)圖(寒冷地區(qū)); 排水側(cè)溝設(shè)計(jì)圖; 電纜槽及其蓋板配筋設(shè)計(jì)圖; 噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)圖; 保溫出水口設(shè)計(jì)圖(寒冷地區(qū)) 。以上各類(lèi)圖紙約占隧道設(shè)計(jì)總圖紙量的85 % 左右, 且圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量及繪制精度大為提高, 減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 縮短了工程設(shè)計(jì)周期。
3 系統(tǒng)的特點(diǎn)
1. (1) 該系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)6 座中長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的, 既充分體現(xiàn)了以往設(shè)計(jì)的精華, 又在研制過(guò)程中, 咨詢(xún)專(zhuān)家, 研究各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及工程算法, 從而使系統(tǒng)能夠較充分地滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要。
(2) 該系統(tǒng)層次、模塊結(jié)構(gòu)清晰, 且每個(gè)子系統(tǒng)都具有獨(dú)立功能, 用戶(hù)可根據(jù)需要改變系統(tǒng)執(zhí)行流程或增減系統(tǒng)功能, 使系統(tǒng)執(zhí)行流程達(dá)到最優(yōu)效果。
(3) 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)界面, 符合應(yīng)用軟件系統(tǒng)的發(fā)展潮流, 使用方便、靈活, 用戶(hù)界面友好。
(4) 以FOXPRO 系統(tǒng)、C 語(yǔ)言、L ISP 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)環(huán)境, 使系統(tǒng)具有較好的升級(jí)性、兼容性和可移植性。
(5) 系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果可全部打印, 并把用戶(hù)輸入的原始數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的文檔規(guī)范制成文檔文件, 以備查詢(xún)和存檔。
(6) 強(qiáng)大的圖文混合隨機(jī)幫助, 用戶(hù)可隨時(shí)獲得所需的各種信息。
4 應(yīng)用前景及效益分析
411 應(yīng)用前景
目前我國(guó)公路建設(shè)迅速發(fā)展, 隧道工程設(shè)計(jì)任務(wù)日益繁重, 迫切需要縮短工程設(shè)計(jì)周期, 減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)必將在公路建設(shè)中得到充分的應(yīng)用。同時(shí), 隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展和完善, 人們對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求必將更高, 需要設(shè)計(jì)手段及方法更加科學(xué)化和現(xiàn)代化, 因此該系統(tǒng)的應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的。
該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為將開(kāi)發(fā)的隧道通風(fēng)和照明設(shè)計(jì)系統(tǒng)、輔助坑道設(shè)計(jì)系統(tǒng)等預(yù)留了接口。并即將移植到Windows 系統(tǒng)中, 另外, 該系統(tǒng)也可用于鐵路隧道工程設(shè)計(jì)及防空洞等地下工程設(shè)計(jì)中, 因此, 將來(lái)的更高級(jí)版系統(tǒng)功能將更加充實(shí)和先進(jìn)。其完善的后期維護(hù)及不斷的版本升級(jí)必將使其推廣前景更加廣闊。
412 效益分析
該系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中表明: 利用該系統(tǒng)優(yōu)化襯砌斷面, 可使襯砌斷面厚度減小5～10cm , 按隧道凈寬1015m 計(jì)算, 每延長(zhǎng)米隧道可節(jié)省圬工1125m3 左右, 節(jié)約工程投資011 萬(wàn)元以上。
由于該系統(tǒng)的應(yīng)用, 使隧道工程的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)速度成倍地提高, 可以將大量的工程技術(shù)力量從繁雜的、重復(fù)性的計(jì)算和簡(jiǎn)單的手工描圖中解放出來(lái), 而把主要精力集中在設(shè)計(jì)方案構(gòu)思等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題上。
另外,該系統(tǒng)的應(yīng)用避免了人工計(jì)算和繪圖差錯(cuò), 可提高設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量,也是其明顯的技術(shù)效益。
根據(jù)我國(guó)公路建設(shè)的總體規(guī)劃, 到本世紀(jì)末, 高等級(jí)公路將貫穿兩縱、兩橫4 條國(guó)道主干線(xiàn), 連接100 多個(gè)大、中城市, 全長(zhǎng)約1145 萬(wàn)km , 3 條總長(zhǎng)3 320km 的國(guó)道主干線(xiàn)將在2000 年建成汽車(chē)專(zhuān)用公路。面對(duì)公路建設(shè)迅速發(fā)展, 隧道設(shè)計(jì)日益繁重的局面, 必須改變手工或計(jì)算機(jī)描圖等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法, 開(kāi)發(fā)公路隧道CAD 系統(tǒng)。
70 年代以來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, CAD 技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展并在許多領(lǐng)域取得了可喜的成果。在隧道設(shè)計(jì)方面也進(jìn)行了一些初步嘗試, 但還局限于少量計(jì)算機(jī)圖紙繪制和局部計(jì)算上, 難以形成一套完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
公路隧道CAD 系統(tǒng)作為公路隧道整體式襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品, 已于1995 年由我院研制成功, 并通過(guò)沈陽(yáng)鐵路局級(jí)鑒定, 鑒定認(rèn)為該系統(tǒng)已達(dá)到當(dāng)代國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。目前, 該系統(tǒng)已在公路隧道設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用。
1 設(shè)計(jì)思想和原則
11 襯砌形式為直墻、曲墻拱型整體式襯砌。
21 系統(tǒng)按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì), 借鑒鐵路隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 同時(shí)考慮南北地區(qū)差別。
31 功能上主要解決復(fù)雜的計(jì)算和繁瑣的圖紙繪制。
41 界面良好, 兼容性強(qiáng), 功能完善。
2 系統(tǒng)主要組成、設(shè)計(jì)原理及功能
公路隧道CAD 系統(tǒng)是以FOXPRO 系統(tǒng)為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái), 采用4 GL 編制而成。主要由信息輸入軟件、計(jì)算軟件和繪圖軟件3 大模塊組成, 其內(nèi)容涉及隧道橫、縱斷面設(shè)計(jì)、洞門(mén)設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)、明洞設(shè)計(jì)等幾大系統(tǒng)。
211 信息輸入軟件
隧道設(shè)計(jì)所需各種原始數(shù)據(jù)及參數(shù)均通過(guò)人機(jī)交互界面輸入, 并存入共享數(shù)據(jù)庫(kù), 可隨時(shí)修改。另外, 該軟件擁有強(qiáng)大的, 解釋性的隨機(jī)幫助系統(tǒng), 輸入數(shù)據(jù)時(shí)如有疑問(wèn), 可隨時(shí)按熱鍵【shift + F1 】查詢(xún)。
11 橫縱斷面信息輸入
橫縱斷面信息是隧道設(shè)計(jì)中反映山體地形的原始數(shù)據(jù), 由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量而得, 是決定隧道長(zhǎng)度、道路坡度等內(nèi)容的主要因素。當(dāng)信息輸入后, 軟件將根據(jù)測(cè)點(diǎn)里程對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)排序并保存。設(shè)計(jì)者可通過(guò)繪圖軟件繪制不同比例的草圖進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選。
21 地質(zhì)信息輸入
地質(zhì)信息輸入除需輸入由現(xiàn)場(chǎng)勘探及試驗(yàn)分析獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外, 還需輸入襯砌混凝土及襯砌內(nèi)力分析所需的各種參數(shù)。軟件將按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》自動(dòng)計(jì)算判別隧道是否深埋、淺埋或偏壓。 31 內(nèi)外輪廓尺寸擬定
隧道內(nèi)外輪廓尺寸擬定是隧道設(shè)計(jì)的重心部分, 直接關(guān)系著隧道的穩(wěn)固性及工程造價(jià)。一般來(lái)說(shuō), 隧道內(nèi)輪廓是由隧道限界而定, 其凈寬是固定的, 其凈高可通過(guò)邊墻高及拱高來(lái)調(diào)整。同時(shí), 隧道襯砌厚度又決定著隧道外輪廓尺寸。要使隧道內(nèi)外輪廓尺寸設(shè)計(jì)合理, 通常需經(jīng)過(guò)多次試算、調(diào)整才能優(yōu)化設(shè)計(jì)。該軟件的單心直墻、三心直墻、三心曲墻3 種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)界面成功地使數(shù)據(jù)輸入、修改變得非常方便。當(dāng)某些影響因素發(fā)生變化時(shí), 可通過(guò)計(jì)算機(jī)迅速計(jì)算。并可通過(guò)繪圖軟件繪制橫斷面圖供設(shè)計(jì)者進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
41 明洞配筋設(shè)計(jì)
在隧道出入口附近及覆蓋層很薄的地段, 一般需設(shè)明洞。設(shè)計(jì)者先擬定明洞內(nèi)外輪廓尺寸, 再?gòu)臐L動(dòng)窗口中選擇鋼筋材料、主筋直徑、縱筋直徑、箍筋直徑及輸入箍筋間距、保護(hù)層厚度等。軟件將自動(dòng)計(jì)算各單元節(jié)點(diǎn)處的安全系數(shù)。
51 洞門(mén)尺寸擬定
隧道洞門(mén)型式很多, 常見(jiàn)的有端墻式、翼墻式和柱式3 種, 該軟件針對(duì)3 種洞門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸入界面, 設(shè)計(jì)者可根據(jù)交互界面的數(shù)據(jù)輸入要求擬定洞門(mén)細(xì)部尺寸。也可在ACAD 下調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)洞門(mén)圖并修改其尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)自動(dòng)檢算其穩(wěn)定性及強(qiáng)度, 并提出數(shù)據(jù)修改建議。
61 電纜槽尺寸擬定
電纜槽是隧道的附屬設(shè)備, 通常設(shè)在人行道板下面。該軟件可完成電纜槽細(xì)部尺寸擬定, 并可設(shè)計(jì)電纜槽蓋板尺寸及配筋。同時(shí), 繪制電纜槽大樣圖, 并對(duì)材料的組成及數(shù)量加以統(tǒng)計(jì)。
71 洞內(nèi)排水溝設(shè)計(jì)
該軟件根據(jù)南北地區(qū)的氣候差異, 可設(shè)計(jì)兩種排水方式。在氣候溫和地區(qū)采用單側(cè)溝或雙側(cè)溝排水, 在氣候寒冷地區(qū)采用中心暗溝排水并設(shè)保溫出水。同時(shí), 生成排水溝大樣圖及主要工程數(shù)量表。
212 計(jì)算軟件
該軟件全部用C 語(yǔ)言編制而成, 主要由內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算、襯砌內(nèi)力分析計(jì)算、明洞配筋計(jì)算及洞門(mén)穩(wěn)定性計(jì)算等幾個(gè)子程序組成。
11 內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算
該軟件根據(jù)設(shè)計(jì)者擬定的內(nèi)外輪廓尺寸計(jì)算隧道內(nèi)外拱半徑、曲邊墻半徑、仰拱半徑、圓心角及圓心位置等。并可通過(guò)繪圖軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)格式的橫斷面設(shè)計(jì)圖。同時(shí), 軟件計(jì)算土石開(kāi)挖量、襯砌混凝土量(包括仰拱或底版) 等, 并根據(jù)不同的圍巖類(lèi)別分別按6cm 、8cm 、10cm 、12cm 計(jì)算超挖回填量。
21 襯砌內(nèi)力分析計(jì)算
襯砌內(nèi)力分析計(jì)算一直是手工設(shè)計(jì)中的難點(diǎn), 需經(jīng)過(guò)多次重復(fù)計(jì)算才能使襯砌輪廓尺寸設(shè)計(jì)合理。一般手工設(shè)計(jì)隧道的計(jì)算方法是鏈桿法, 即把拱圈簡(jiǎn)化為拱腳彈性固定于圍巖上的無(wú)鉸拱, 邊墻按彈性地基梁進(jìn)行分析計(jì)算, 并未考慮襯砌與圍巖之間的共同作用, 因此不能真實(shí)地反映襯砌受力及變形的實(shí)際情況。該軟件采用的矩陣位移法是按照局部變形理論的溫氏(Winkler) 假定, 以彈性抗力系數(shù)K 來(lái)體現(xiàn)圍巖與襯砌之間相互制約相互傳力的共同作用, 大大提高了襯砌內(nèi)力分析精度。使襯砌輪廓尺寸設(shè)計(jì)更趨于合理。
根據(jù)矩陣位移法計(jì)算襯砌的基本步驟, 該軟件的主要計(jì)算功能如下:
1.(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的襯砌內(nèi)外輪廓尺寸、襯砌離散單元數(shù)等將襯砌斷面分為若干個(gè)長(zhǎng)度相等的等直桿單元, 計(jì)算各單元的長(zhǎng)度L 、面積S 、慣性矩I 、單元軸線(xiàn)與水平線(xiàn)夾角α、各節(jié)點(diǎn)半徑方向與豎直軸的夾角ψ及節(jié)點(diǎn)處彈性鏈桿的作用長(zhǎng)度L ′。
( 2) 將作用在襯砌上的垂直、水平圍巖壓力及襯砌自重按深埋、淺埋或偏壓化為等效節(jié)點(diǎn)荷載。
( 3) 按矩陣位移法進(jìn)行襯砌內(nèi)力分析, 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q 。
( 4) 計(jì)算軸向力偏心矩E 及強(qiáng)度安全系數(shù)K 。
31 明洞配筋計(jì)算
按明洞斷面輪廓尺寸進(jìn)行內(nèi)力分析, 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q , 根據(jù)內(nèi)力結(jié)果計(jì)算隧道縱向每延長(zhǎng)米主筋根數(shù), 并檢算襯砌截面最小配筋率, 統(tǒng)計(jì)鋼筋種類(lèi)及數(shù)量。
41 洞門(mén)計(jì)算
洞門(mén)的作用在于抵抗邊坡和仰坡地層的主動(dòng)側(cè)壓力, 防止邊坡和仰坡的坍塌, 因此可視為擋土墻, 按庫(kù)侖理論進(jìn)行計(jì)算。
1. (1) 將端墻式洞門(mén)視為具有很大孔洞的擋土墻, 檢算端墻最高、受力最大部分的強(qiáng)度及穩(wěn)定性, 并以此確定整個(gè)洞門(mén)墻的主要擬定尺寸是否合理。洞門(mén)墻臺(tái)階埋入部分及洞門(mén)墻和襯砌連接部分, 對(duì)洞門(mén)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有利, 不考慮其影響因素是偏于安全的。
(2) 翼墻式洞門(mén)是由洞門(mén)墻和翼墻一起共同承受隧道縱向和橫向的主動(dòng)水平壓力, 其本身是一個(gè)空間結(jié)構(gòu), 為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 該軟件分別驗(yàn)算下列內(nèi)容:
a1 驗(yàn)算翼墻 取洞門(mén)端墻址前之翼墻寬1m 的條帶, 不考慮翼墻與端墻間的連結(jié)抗剪作用, 除驗(yàn)算墻身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外, 還驗(yàn)算基底的偏心及進(jìn)行應(yīng)力檢算。
b1 驗(yàn)算端墻 取端墻最不利部分, 驗(yàn)算其強(qiáng)度偏心。如果端墻和洞口環(huán)節(jié)襯砌不是用同一材料整體砌筑時(shí), 軟件還將驗(yàn)算整個(gè)端墻強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
c1 端墻與翼墻共同作用的驗(yàn)算 驗(yàn)算翼墻與端墻連結(jié)部分的端墻自重和翼墻全部重量共同抵抗作用在翼墻與端墻連結(jié)部分的端墻上的土層主動(dòng)水平壓力, 使之不會(huì)滑動(dòng)。
(3) 柱式洞門(mén)視其是否帶有翼墻, 分別按翼墻式、端墻式洞門(mén)驗(yàn)算。
213 繪圖軟件
該軟件全部用內(nèi)嵌在AutoCAD 下的L ISP 語(yǔ)言編制而成, 采用圖形數(shù)據(jù)庫(kù)控制圖紙生成?？赏瓿梢韵赂黝?lèi)圖紙的繪制: 隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖; 不同圍巖類(lèi)別的襯砌斷面設(shè)計(jì)圖; 明洞襯砌斷面設(shè)計(jì)圖; 明洞配筋設(shè)計(jì)圖; 洞門(mén)平面設(shè)計(jì)圖; 洞門(mén)立面設(shè)計(jì)圖; 襯砌防排水設(shè)計(jì)圖; 洞內(nèi)排水設(shè)計(jì)圖; 中心排水溝及檢查井設(shè)計(jì)圖(寒冷地區(qū)); 排水側(cè)溝設(shè)計(jì)圖; 電纜槽及其蓋板配筋設(shè)計(jì)圖; 噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)圖; 保溫出水口設(shè)計(jì)圖(寒冷地區(qū)) 。以上各類(lèi)圖紙約占隧道設(shè)計(jì)總圖紙量的85 % 左右, 且圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量及繪制精度大為提高, 減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 縮短了工程設(shè)計(jì)周期。
3 系統(tǒng)的特點(diǎn)
1. (1) 該系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)6 座中長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的, 既充分體現(xiàn)了以往設(shè)計(jì)的精華, 又在研制過(guò)程中, 咨詢(xún)專(zhuān)家, 研究各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及工程算法, 從而使系統(tǒng)能夠較充分地滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要。
(2) 該系統(tǒng)層次、模塊結(jié)構(gòu)清晰, 且每個(gè)子系統(tǒng)都具有獨(dú)立功能, 用戶(hù)可根據(jù)需要改變系統(tǒng)執(zhí)行流程或增減系統(tǒng)功能, 使系統(tǒng)執(zhí)行流程達(dá)到最優(yōu)效果。
(3) 采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)界面, 符合應(yīng)用軟件系統(tǒng)的發(fā)展潮流, 使用方便、靈活, 用戶(hù)界面友好。
(4) 以FOXPRO 系統(tǒng)、C 語(yǔ)言、L ISP 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)環(huán)境, 使系統(tǒng)具有較好的升級(jí)性、兼容性和可移植性。
(5) 系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果可全部打印, 并把用戶(hù)輸入的原始數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的文檔規(guī)范制成文檔文件, 以備查詢(xún)和存檔。
(6) 強(qiáng)大的圖文混合隨機(jī)幫助, 用戶(hù)可隨時(shí)獲得所需的各種信息。
4 應(yīng)用前景及效益分析
411 應(yīng)用前景
目前我國(guó)公路建設(shè)迅速發(fā)展, 隧道工程設(shè)計(jì)任務(wù)日益繁重, 迫切需要縮短工程設(shè)計(jì)周期, 減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)必將在公路建設(shè)中得到充分的應(yīng)用。同時(shí), 隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展和完善, 人們對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求必將更高, 需要設(shè)計(jì)手段及方法更加科學(xué)化和現(xiàn)代化, 因此該系統(tǒng)的應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的。
該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為將開(kāi)發(fā)的隧道通風(fēng)和照明設(shè)計(jì)系統(tǒng)、輔助坑道設(shè)計(jì)系統(tǒng)等預(yù)留了接口。并即將移植到Windows 系統(tǒng)中, 另外, 該系統(tǒng)也可用于鐵路隧道工程設(shè)計(jì)及防空洞等地下工程設(shè)計(jì)中, 因此, 將來(lái)的更高級(jí)版系統(tǒng)功能將更加充實(shí)和先進(jìn)。其完善的后期維護(hù)及不斷的版本升級(jí)必將使其推廣前景更加廣闊。
412 效益分析
該系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中表明: 利用該系統(tǒng)優(yōu)化襯砌斷面, 可使襯砌斷面厚度減小5～10cm , 按隧道凈寬1015m 計(jì)算, 每延長(zhǎng)米隧道可節(jié)省圬工1125m3 左右, 節(jié)約工程投資011 萬(wàn)元以上。
由于該系統(tǒng)的應(yīng)用, 使隧道工程的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)速度成倍地提高, 可以將大量的工程技術(shù)力量從繁雜的、重復(fù)性的計(jì)算和簡(jiǎn)單的手工描圖中解放出來(lái), 而把主要精力集中在設(shè)計(jì)方案構(gòu)思等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題上。
另外,該系統(tǒng)的應(yīng)用避免了人工計(jì)算和繪圖差錯(cuò), 可提高設(shè)計(jì)圖紙的質(zhì)量,也是其明顯的技術(shù)效益。
