一种适用于长距离输水工程的三孔箱涵群内力分析方法

技术领域

本发明属于输水供水工程的设计技术领域，具体涉及一种适用于长距离输水工程的三孔箱涵群内力分析方法。

背景技术

长距离输水工程是指输水距离超过10km的用管道输送原水、清水的建设工程。随着我国城市化的不断发展，城市需水量逐年增加，长距离输水工程是解决城市用水量迅速增加的有效措施。长距离输水工程途径河流、山谷、丘陵、公路、铁路等障碍物时常常设置箱涵，箱涵属于涵洞的一种洞身结构布置型式，一般为矩形断面现浇整体式钢筋混凝土结构。箱涵是埋设在填土下的输水建筑物，由于施工规模小、结构型式简单等优点被广泛应用于水利、铁路、公路、桥梁等领域。

随着长距离输水工程中的箱涵数量增多、投资的增大，箱涵群的结构设计与运行管理愈加重要。在设计阶段，箱涵的结构型式虽然简单，但由于数量较多，且涉及与其他工程的交叉设计，因此工作量较大。箱涵洞身的结构计算是工程设计工作的重要部分，考虑到结构计算的复杂性，特别对于三孔箱涵，若采用手工方式进行计算会耗费大量的人力和时间；在运行阶段，整个工程的箱涵群所承受的外力和内部应力处于“黑箱”状态，难以得知箱涵群结构状态的健康程度，难以判断和预警安全风险。

发明内容

本发明针对长距离输水工程三孔箱涵群在设计及运行阶段存在的缺点，提供了一种适用于长距离输水工程的三孔箱涵群内力分析方法。本发明的目的在于减少设计阶段的计算工作量、提高设计效率，快速响应长距离输水工程中交叉工程的荷载变化，有效地掌握运行阶段各三孔箱涵的结构受力，分析判断安全状态。

本发明采用的技术方案是：一种适用于长距离输水工程的三孔箱涵群内力分析方法，包括监测系统与分析系统；

所述监测系统包含压力感应单元、数据传输单元、数据处理与分析单元，每个箱涵现场分别部署压力感应单元与数据传输单元，整个长距离输水工程的箱涵群共用一个数据处理与分析单元；压力感应单元与数据传输单元通过有线进行连接，数据传输单元通过互联网或局域网将压力感应单元的数据传输到数据处理与分析单元；

所述压力感应单元通过分布在箱涵结构结点处的土压力感应器测量箱涵所受外力；所述土压力感应器的数量为12个，顶板和底板外侧分别分布4个土压力感应器，两个边墙外侧分别分布2个土压力感应器；所述顶板和底板土压力感应器的分布位置为边墙与顶板的结点和中墙与顶板的结点，边墙土压力感应器的分布位置为边墙与顶板的结点和边墙与底板的结点；所述土压力感应器在施工阶段进行安装，运行阶段一直处于地下；

所述数据传输单元通过有线方式将压力感应单元数据进行收集并通过互联网或局域网发送给数据处理与分析单元，所述数据传输单元包括工控机、电源；所述工控机与土压力感应器通过有线进行连接和数据传输；所述工控机内安装数据处理程序，搜集并处理土压力感应器的监测数据；所述工控机在工区内具有特定编号，用以识别工程位置；所述工控机发送给数据处理与分析单元的数据包括工控机编码、感应器编码和感应器监测数据；所述电源同时给工控机和土压力感应器供电；

所述数据处理与分析单元包括服务器、数据库、三孔箱涵内力计算程序和客户端，服务器安装数据库和三孔箱涵内力计算程序，与数据传输单元同处互联网或局域网中，三孔箱涵内力监测与分析结果在客户端进行显示；

所述分析系统内嵌在数据处理与分析单元中；

所述分析系统进行三孔箱涵的结构计算的步骤如下：

(1)、荷载计算：作用于侧墙的水平分布土压力及侧墙分布荷载总和、作用于顶板的垂直均布荷载总和作用于底板底面的垂直均布荷载总和；

(2)、计算各杆件的固端弯矩；

(3)、计算各杆件惯性矩；

(4)、计算各杆件单位刚度；

(5)、计算各杆件杆端转角弯矩分配系数；

(6)、反复循环计算各杆件近端转角弯矩：按计算简图的形式绘制结点近端转角弯矩计算图，在图的结点内框中填写结点的不平衡弯矩值

(7)、结束近端转角弯矩的计算后，然后根据最后一次近端转角弯矩计算值计算各杆端的最终弯矩值；

(8)、利用VB编成语言将(1)-(7)过程编译成三孔箱涵内力计算程序，程序的输入参数为荷载参数和箱涵各杆件的单位刚度，荷载参数可以从数据库读取，也可以在客户端进行人工输入，箱涵各杆件单位刚度在客户单由人工输入，程序的输出结果为各结点的杆端弯矩。

所述分析系统基于迭代法求解箱涵结点弯矩，计算过程是按计算简图的形式，依次在各结点对杆端的转角弯矩循环进行渐进计算，直到最后两次的计算值基本相等，然后计算最终的杆端弯矩。

具体地，三孔箱涵计算过程：杆端转角弯矩循环计算前首先计算各结点各杆端的固端弯矩及其代数和(不平衡弯矩)及转角弯矩的分配系数，

计算各杆件固端弯矩的公式如下：

式中，各结点为构件轴线的交点，L

上述步骤中，计算各杆件惯性矩公式如下：

式中，d

上述步骤中，计算各杆件单位刚度公式如下：

上述步骤中，计算各杆端转角弯矩分配系数公式如下：

上述步骤中，计算各杆件杆端弯矩公式如下：

式中，M

本发明具有以下有益效果：1、在长距离输水工程箱涵设计阶段，本发明减少计算工作量、提高设计效率，不仅操作简单计算准确，而且运算速度快，即使非工程技术人员，只要输入基本数据，就会立即得出计算成果，有利于不同尺寸的方案比较，简单灵活更具有实用性；2、在箱涵工程运行阶段，能够有效监控整个长距离输水工程箱涵群的所承受的外力和内部应力状态，快速响应长距离输水工程中交叉工程的荷载变化，便于判断箱涵群在运行期间的结构健康状态，为安全风险预警提供基础。

附图说明

图1三孔箱涵计算简图；

图2为一种适用于长距离输水工程的三孔箱涵群内力分析方法结构图；

图3为三孔箱涵典型受力图及土压力感应器分布位置；

图4为三孔箱涵群内力分析系统软件界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1、图2所示，本发明包括监测系统与分析系统；所述监测系统包含压力感应单元、数据传输单元、数据处理与分析单元，每个箱涵现场分别部署压力感应单元与数据传输单元，整个长距离输水工程的箱涵群共用一个数据处理与分析单元；压力感应单元与数据传输单元通过有线进行连接，数据传输单元通过互联网或局域网将压力感应单元的数据传输到数据处理与分析单元；

所述压力感应单元通过分布在箱涵结构结点处的土压力感应器测量箱涵所受外力；所述土压力感应器的数量为12个，顶板和底板外侧分别分布4个土压力感应器，两个边墙外侧分别分布2个土压力感应器；所述顶板和底板土压力感应器的分布位置为边墙与顶板的结点和中墙与顶板的结点，边墙土压力感应器的分布位置为边墙与顶板的结点和边墙与底板的结点；所述土压力感应器在施工阶段进行安装，运行阶段一直处于地下；

所述数据传输单元通过有线方式将压力感应单元数据进行收集并通过互联网或局域网发送给数据处理与分析单元，所述数据传输单元包括工控机、电源；所述工控机与土压力感应器通过有线进行连接和数据传输；所述工控机内安装数据处理程序，搜集并处理土压力感应器的监测数据；所述工控机在工区内具有特定编号，用以识别工程位置；所述工控机发送给数据处理与分析单元的数据包括工控机编码、感应器编码和感应器监测数据；所述电源同时给工控机和土压力感应器供电；

所述数据处理与分析单元包括服务器、数据库、三孔箱涵内力计算程序和客户端，服务器安装数据库和三孔箱涵内力计算程序，与数据传输单元同处互联网或局域网中，三孔箱涵内力监测与分析结果在客户端进行显示；

所述分析系统内嵌在数据处理与分析单元中；

所述分析系统进行三孔箱涵的结构计算的步骤如下：

(1)、荷载计算：作用于侧墙的水平分布土压力及侧墙分布荷载总和、作用于顶板的垂直均布荷载总和作用于底板底面的垂直均布荷载总和；

(2)、计算各杆件的固端弯矩；

(3)、计算各杆件惯性矩；

(4)、计算各杆件单位刚度；

(5)、计算各杆件杆端转角弯矩分配系数；

(6)、反复循环计算各杆件近端转角弯矩：按计算简图的形式绘制结点近端转角弯矩计算图，在图的结点内框中填写结点的不平衡弯矩值

(7)、结束近端转角弯矩的计算后，然后根据最后一次近端转角弯矩计算值计算各杆端的最终弯矩值；

(8)、利用VB编成语言将(1)-(7)过程编译成三孔箱涵内力计算程序，程序的输入参数为荷载参数和箱涵各杆件的单位刚度，荷载参数可以从数据库读取，也可以在客户端进行人工输入，箱涵各杆件单位刚度在客户单由人工输入，程序的输出结果为各结点的杆端弯矩。

所述分析系统基于迭代法求解箱涵结点弯矩，计算过程是按计算简图的形式，依次在各结点对杆端的转角弯矩循环进行渐进计算，直到最后两次的计算值基本相等，然后计算最终的杆端弯矩。

具体地，三孔箱涵计算过程：杆端转角弯矩循环计算前首先计算各结点各杆端的固端弯矩及其代数和(不平衡弯矩)及转角弯矩的分配系数，

计算各杆件固端弯矩的公式如下：

式中，各结点为构件轴线的交点，L

上述步骤中，计算各杆件惯性矩公式如下：

式中，d

上述步骤中，计算各杆件单位刚度公式如下：

上述步骤中，计算各杆端转角弯矩分配系数公式如下：

上述步骤中，计算各杆件杆端弯矩公式如下：

式中，M

实施例一：

某长距离输水工程长35km，共有121个三孔箱涵，形成箱涵群。在设计阶段，本发明三孔箱涵内力计算程序操作简单计算准确，而且运算速度快，只要将基本的数据输入计算机，就会立即得出计算成果，减少计算工作量，设计效率提高120％以上。

下面结合图3和图4说明在设计阶段的具体实施步骤如下：

(1)、根据实际三孔箱涵计算各杆件单位刚度，并将单位刚度输入到图4中①单位刚度参数输入区域；

(2)、根据实际三孔箱涵荷载情况计算固端弯矩，并将固端弯矩计算结果输入到图4种③结果显示区中的数据框A中；

(3)、点击图4中②操作区的迭代按钮进行计算；

(4)、计算过程中，弯矩分配系数和近端转角弯矩计算结果将分别在图4中③结果显示区中的数据框A和数据框B位置显示出来；

(5)、点击图4中②操作区的输出按钮，各杆端最终弯矩计算成果将显示在③结果显示区中的数据框A中，同时将各杆端最终弯矩值输出至外部文本文档中，可复制结果进行后续配筋计算等工作。

实施例二：

某长距离输水工程长35km，共有121个三孔箱涵，形成箱涵群。在运行阶段，本发明能够有效监控整个工程箱涵群的健康状态，为安全风险预警提供依据。下面结合图2和图3说明在运行阶段的具体实施步骤如下：

(1)、每个三孔箱涵施工时，均在边墙与顶板、中墙与顶板、边墙与低板、中墙与底板的结点处预埋土压力感应器，具体位置如图3中数字1至12处；

(2)、运行阶段，每个箱涵的压力感应单元将感应器监测的数据通过数据传输单元的工控机进行集成和传输，并通过互联网或局域网发送至数据处理与分析单元服务器；

(3)、服务器收到箱涵群的监测数据，辨识其工程编号、土压力感应器编号、土压力感应器监测数据和时间信息，并存入数据库；

(4)根据实际三孔箱涵尺寸和材料计算各杆件单位刚度，将单位刚度输入三孔箱涵内力计算程序，同时三孔箱涵内力计算程序读取数据库监测数据并进行内力计算，计算结果显示在客户端，从而实现整个长距离输水工程箱涵群健康状态的有效监控。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。