柔性锚网与高性能喷射混凝土的复合支护设计方法及系统与流程

本发明涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，本发明涉及柔性锚网与高性能喷射混凝土的复合支护设计方法及系统。

背景技术：

1、在地下工程与隧道支护结构的计算机辅助工程分析中，柔性锚网与高性能喷射混凝土复合支护的设计通常沿用钢筋混凝土协同受力理论，设计人员借助有限元或解析计算模型，将喷射混凝土层与钢筋网视为完全粘结、应变协调的组合体，并假定受拉区混凝土一旦达到其极限拉应变而开裂，裂缝处的钢筋网即刻转入弹性受拉状态，按其截面刚度贡献抗力，该类方法未区分柔性菱形网因自身网孔构造与铺挂成形过程而客观存在的初始几何松弛，也未反映钢筋网在提供有效膜作用前所需经历的张紧变形过程，导致计算机辅助设计流程中混凝土峰后抗力跌落与钢筋网膜效应建立之间的力学衔接被简化为瞬时完成。

2、上述设计方法因忽略混凝土开裂后钢筋网膜效应建立的滞后过程，使得计算机辅助工程模型在正常使用极限状态下难以准确评估复合支护的裂缝宽度与瞬时挠度突跳，导致基于该类模型的设计优化和性能预测无法真实反映支护结构从混凝土开裂到网膜协同承载的过渡行为。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供柔性锚网与高性能喷射混凝土的复合支护设计方法及系统以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、柔性锚网与高性能喷射混凝土的复合支护设计方法，包括如下步骤：

4、s1、获取柔性菱形网的网孔边长、钢筋直径、喷射混凝土的极限拉应变及设计弯矩；

5、s2、利用网孔边长、钢筋直径、极限拉应变与设计弯矩建立复合支护截面的计算机辅助工程模型，计算喷射混凝土达到极限拉应变时柔性菱形网产生的钢筋网应变；

6、s3、获取柔性菱形网铺挂后其菱形孔长轴方向与喷射混凝土喷射流主入射方向之间的夹角，当夹角落入预设锐角区间时，按网孔边长与钢筋直径确定张紧应变增量，否则在按网孔边长与钢筋直径确定的基础上附加由入射偏差角触发的张紧项，得到张紧应变增量；

7、s4、根据钢筋网应变确定喷射混凝土开裂时刻受拉区释放的弹性能，根据张紧应变增量确定柔性菱形网进入膜效应所需的变形能，判断弹性能是否小于变形能，若是，则存在抗力空窗期；

8、s5、当存在抗力空窗期时，在计算机辅助工程模型中用张紧应变增量衔接喷射混凝土软化段与网膜强化段之间的刚度过渡，并输出修正后的裂缝宽度；当不存在抗力空窗期时，输出基于完全协同假定的裂缝宽度。

9、进一步地，获取柔性菱形网的网孔边长、钢筋直径、喷射混凝土的极限拉应变及设计弯矩，包括：

10、依据待支护区段围岩分级确定柔性菱形网的选型，并从选型记录中提取网孔边长与钢筋直径；

11、依据待支护区段围岩分级与地下水环境等级确定喷射混凝土的强度等级，并提取与该强度等级对应的极限拉应变；

12、根据围岩地应力水平与隧道开挖跨度，计算复合支护截面需承载的设计弯矩。

13、进一步地，围岩分级采用围岩基本质量指标进行评定，地应力水平根据实测地应力与围岩单轴饱和抗压强度的比值确定，当该比值超出临界值时，将设计弯矩乘以与超出量呈正相关的放大系数。

14、进一步地，利用网孔边长、钢筋直径、极限拉应变与设计弯矩建立复合支护截面的计算机辅助工程模型，计算喷射混凝土达到极限拉应变时柔性菱形网产生的钢筋网应变，包括：

15、将柔性菱形网按网孔边长与钢筋直径等效为正交各向异性膜层，将喷射混凝土按极限拉应变等效为受拉软化层，将柔性菱形网与喷射混凝土之间的结合界面按粘结系数等效为界面过渡层，组合形成三层复合截面的计算机辅助工程模型；

16、在复合支护截面的计算机辅助工程模型中施加设计弯矩，沿截面高度方向逐层判定喷射混凝土各层拉应变，提取最先达到极限拉应变的层位；

17、提取该层位处柔性菱形网在喷射混凝土达到极限拉应变方向上的拉伸应变量，作为钢筋网应变。

18、进一步地，获取柔性菱形网铺挂后其菱形孔长轴方向与喷射混凝土喷射流主入射方向之间的夹角，当夹角落入预设锐角区间时，按网孔边长与钢筋直径确定张紧应变增量，否则在按网孔边长与钢筋直径确定的基础上附加由入射偏差角触发的张紧项，得到张紧应变增量，包括：

19、根据柔性菱形网铺挂后的网面姿态记录与喷射混凝土施工的喷射方向记录，计算菱形孔长轴方向与喷射流主入射方向之间的夹角；

20、将夹角与预设锐角区间比较，若夹角落入预设锐角区间，则以网孔边长与钢筋直径的比值确定基础张紧系数，将基础张紧系数与网孔边长的乘积作为张紧应变增量；

21、若夹角未落入预设锐角区间，则计算夹角与预设锐角区间边界值的差值作为入射偏差角，以基础张紧系数与入射偏差角的正切值的乘积作为附加张紧项，将基础张紧系数与网孔边长的乘积与附加张紧项之和作为张紧应变增量。

22、进一步地，预设锐角区间的上边界根据网孔边长与钢筋直径的比值设定，比值越大上边界越小，预设锐角区间的下边界取喷射混凝土喷射流在菱形孔内形成有效填充的最小入射角。

23、进一步地，基于复合支护截面的计算机辅助工程模型中确定的喷射混凝土最先达到极限拉应变的层位，结合喷射混凝土强度等级对应的抗拉强度与该层位受拉区体积，计算开裂时刻释放的弹性应变能，作为弹性能；基于柔性菱形网的弹性模量、钢筋直径对应的单根钢筋截面面积及张紧应变增量，计算使跨越该层位的柔性菱形网张紧至膜效应状态所需的外力功，作为变形能；将弹性能与变形能比较，若弹性能小于变形能，则判定存在抗力空窗期。

24、进一步地，将弹性能与变形能的差值除以变形能得到能量差比，当能量差比为正值且超出预设容差阈值时，判定抗力空窗期显著，并在输出修正后的裂缝宽度时叠加由能量差比映射的附加裂缝宽度增量。

25、进一步地，在存在抗力空窗期时，在复合支护截面的计算机辅助工程模型中，于喷射混凝土达到极限拉应变后，将喷射混凝土的受拉刚度沿软化曲线衰减，同时维持柔性菱形网的拉伸应变为张紧应变增量之前的松弛态，直至柔性菱形网累积的拉伸应变达到张紧应变增量，此后恢复喷射混凝土与柔性菱形网的变形协调并将柔性菱形网的膜效应刚度并入截面刚度，基于包含刚度过渡的截面刚度历程计算修正后的裂缝宽度；当不存在抗力空窗期时，假定喷射混凝土开裂时刻柔性菱形网瞬时进入协同受拉状态，按完全协同假定计算裂缝宽度并输出。

26、另一方面，本发明提供柔性锚网与高性能喷射混凝土的复合支护设计系统，包括以下模块：

27、参数获取模块，用于获取柔性菱形网的网孔边长、钢筋直径、喷射混凝土的极限拉应变及设计弯矩；

28、应变计算模块，用于利用网孔边长、钢筋直径、极限拉应变与设计弯矩建立复合支护截面的计算机辅助工程模型，计算喷射混凝土达到极限拉应变时柔性菱形网产生的钢筋网应变；

29、增量确定模块，用于获取柔性菱形网铺挂后其菱形孔长轴方向与喷射混凝土喷射流主入射方向之间的夹角，当夹角落入预设锐角区间时，按网孔边长与钢筋直径确定张紧应变增量，否则在按网孔边长与钢筋直径确定的基础上附加由入射偏差角触发的张紧项，得到张紧应变增量；

30、空窗判定模块，用于根据钢筋网应变确定喷射混凝土开裂时刻受拉区释放的弹性能，根据张紧应变增量确定柔性菱形网进入膜效应所需的变形能，判断弹性能是否小于变形能，若是，则存在抗力空窗期；

31、结果输出模块，用于当存在抗力空窗期时，在计算机辅助工程模型中用张紧应变增量衔接喷射混凝土软化段与网膜强化段之间的刚度过渡，并输出修正后的裂缝宽度；当不存在抗力空窗期时，输出基于完全协同假定的裂缝宽度。

32、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

33、在计算机辅助工程模型中引入了张紧应变增量这一参数，将柔性菱形网从初始松弛状态到形成有效膜效应所经历的变形过程纳入设计计算流程，通过在开裂时刻的钢筋网应变与张紧应变增量之间建立比对判据，使得计算机辅助分析模型能够区分喷射混凝土开裂后钢筋网瞬时参与承载的理想情况与钢筋网膜效应滞后建立的真实情况，从而修正了传统协同计算中将混凝土峰后抗力跌落与网膜强化衔接简化为瞬时完成的缺陷，提升了复合支护设计方法对受弯开裂后截面刚度过渡过程的分析能力。

34、基于喷射流主入射方向与菱形孔长轴方向的夹角差异化确定张紧应变增量的取值，使计算机辅助工程模型能够反映施工因素对钢筋网膜效应激活早晚的影响，结合对混凝土开裂释放能量与网膜张紧所需能量的量化比较，在设计阶段即可识别是否存在抗力空窗期，并针对存在空窗期的情形通过刚度过渡修正输出更符合实际过渡行为的裂缝宽度计算结果，为柔性锚网与高性能喷射混凝土的截面参数匹配和配筋方案优化提供与支护结构真实响应更为贴近的分析依据。