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1、 SDCAD4 0 水利版水利版 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计 软软 件件 用用 户户 手手 册册 国家电力公司中南勘测设计研究院水工处国家电力公司中南勘测设计研究院水工处 2003 年年 4 月月 目 录 1 引言 1 1 1 版本说明 1 1 2 定义 1 1 3 参考资料 2 2 软件功能及运行环境 2 2 1 软件功能 2 2 2 运行环境 2 3 计算方法及设计假定 2 3 1 荷载工况 2 3 2 有关的设计参数 3 3 3 内力计算方法 4 3 4 选筋方法 5 3 5 制图约定 5 4 软件的应用和操作 6 4 1 总菜单 6 4 2
2、 各项菜单的功能 6 4 2 1 设置路径 6 4 2 2 输入数据 7 4 2 3 数据前处理 8 4 2 4 内力计算 8 4 2 5 成果整理 9 4 2 6 单工况配筋 10 4 2 7 最终选筋 10 4 2 8 绘钢筋图 11 4 2 8 1 形成图块文件 11 4 2 8 2 布图 11 4 2 9 有限元计算 14 4 2 10 有限元结果配筋 15 4 2 11 编辑计算书 15 4 2 12 退出 SDCAD 15 5 接口文件及其说明 16 5 1 基本数据文件 16 5 2 单工况配筋文件 19 5 3 最终选筋文件 22 5 4 有限元成果整理所需文件 24 6 程序
3、的连续运行 24 6 1 圆形有压洞 内水压力占优势的情况 的计算和绘图 25 6 2 圆拱直墙形 矩形 马蹄形和内水压力不是主要荷载的圆形隧洞的运行次序 25 6 3 矩形变圆形或圆形变矩形渐变段的计算次序 25 6 4 圆拱直墙变矩形 城矩 或矩形变圆拱直墙形 矩城 渐变段程序运行方法 26 6 5 用有限元法计算和绘图 26 7 其它断面的衬砌计算和配筋 26 7 1 数据输入文件的准备 26 7 2 内力计算和配筋 33 8 不计算 直接绘制钢筋图 33 9 关于对称竖井的内力计算 34 10 计算结果输出格式说明 34 10 1 公式法计算结果 34 10 2 边值法计算结果 35
4、10 3 单工况配选筋计算结果 35 10 4 最终选筋结果 36 10 5 有限元应力成果 36 10 6 有限元应力换算为内力结果 37 10 7 用有限元成果配筋的输出格式 37 附录 A 输出文件一览表 38 附录 B 有限元计算网格示意图 40 1 1 引言引言 1 1 版本说明版本说明 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件 简称 SDCAD 是由国家电力公 司中南勘测设计研究院水工处开发的 较早的 SDCAD 2 0 版是根据 SD134 84 水 工隧洞设计规范 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 的规定而编制的 该版本软件 1993 年 12 月由水规总院鉴定后
5、先后被水利水电系统三十多个设计单 位引进并在实际工程中应用 由于 DL T5057 1996 SL T191 96 水工混凝土结 构设计规范 DL5077 1997 水工建筑物荷载设计规范 的发布实施 原来的 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 已在电力行业废止 SDCAD 2 0 和 SDCAD 2 10 已经与新规范不适应 为适应新规范的要求 我们于 1999 年 6 月对 SDCAD 2 10 按新规范的规定进行了修编 推出了 SDCAD 3 0 版 SDCAD 3 0 仍在 DOS 环境下运行 由于现在微机全部采用 Windows 操作系统 原来的 DOS 版本程 序使用起来
6、显得很不方便 为适应操作系统的变化 并参照电力行业标准的 水工 隧洞设计规范 报批稿 我们在 SDCAD 3 0 的基础上又完成了由 DOS 向 Windows 环境下的移植和二次开发 形成了 SDCAD 4 0 版 与 DOS 版本比较 SDCAD 4 0 界面更好 使用更方便 并且扩展了功能 此后 中华人民共和国水利行业标准 SL279 2002 水工隧洞设计规范 于 2002 12 10 发布 2003 03 01 实施 该规范规定 混凝土和钢筋混凝土衬砌的强度 计算仍按 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试行 的规定执行 为与该 规范相适应 我们在SDCAD4 O 基础上经
7、过修改 形成了SDCAD4 0 水利版 1 2 定义定义 SDCAD 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计软件的简称 边值法 指原 SD134 84 水工隧洞设计规范 附录中的 边值数值解法 公式法 指 水工隧洞设计规范 附录中 图形有压隧洞衬砌计算 方法 有限元法 指线弹性平面有限元法 常用断面 指圆形 圆拱直墙形 矩形 马蹄形 矩形变圆形和圆形变矩形 简 称方圆渐变段 圆拱直墙变矩形和矩形变圆拱直墙形 简称城矩渐变段 等八种衬砌 断面 开口圆拱直墙形做为圆拱直墙形的一个特例 D1 0 也归并到常用断面中 其它断面 除常用断面外 图 7 1 1 中 A 1 5 8 9 12 13 时的衬砌断
8、面均 称作其它断面 2 1 3 参考资料参考资料 1 SL279 2002 水工隧洞设计规范 2 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试行 3 SDCAD Ver 3 0 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统修编说明 4 SDCAD 2 00 水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统用户手册 2 软件功能及运行环境软件功能及运行环境 2 1 软件功能软件功能 1 用于招标设计和施工详图设计阶段有压和无压水工隧洞及竖井的钢筋混凝 土衬砌结构设计 2 可对 14 种不同断面型式的衬砌进行内力计算 配筋计算和绘制内力图 对 其中的八种常用断面 还进行裂缝开度验算 并能自动绘制施工用的钢
9、筋图和编辑 计算书 底部为圆角的圆拱直墙断面 图 7 1 1 A 5 可做为常用断面进行计算和编 辑计算书 目前暂不能画钢筋图 3 内力计算包括边值法 圆形有压隧洞计算的公式法和有限元法 荷载工况 包括运行期持久状况 运行期短暂状况 运行期偶然状况 检修期工况 施工期工 况 4 操作简便 输入数据少 人机界面较好 自动化程度高 2 2 运行环境运行环境 1 硬件 微机 打印机 2 软件 Windows98 AutoCAD 14 0 Word 97 3 计算方法及设计假定计算方法及设计假定 3 1 荷载工况荷载工况 荷载工况 1 运行期持久状况 2 检修期工况 3 施工期工况 4 运行期短暂状况
10、 5 运行期偶然状况 3 三种荷载组合 1 运行期 内水压力 外水压力 围岩压力 衬砌自重 围岩弹性抗力 2 检修期 外水压力 围岩压力 衬砌自重 围岩弹性抗力 3 施工期 灌浆压力 外水压力 围岩压力 衬砌自重 围岩弹性抗力 3 2 有关的设计参数有关的设计参数 3 2 1 强度安全系数强度安全系数 混凝土和钢筋混凝土结构的强度安全系数按 SL279 2002 水工隧洞设计规范 6 3 3 条和 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试行 第 31 条的规定取值 钢筋混凝土结构的抗裂安全系数按 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试 行 第 32 条的规定取值 3 2 2
11、最小配筋率最小配筋率 由于 SDJ20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试行 对最小配筋率的规定 有些不够理想 如混凝土强度越高时 规定的 最小受拉配筋率反而越大 偏心受压构 件的 min规定得比受拉钢筋的 min还大等等 导致有时配筋结果不合理 为此在程 序中 最小配筋率参照 SL T 191 96 水工混凝土结构设计规范 表 9 5 1 钢筋混 凝土构件纵向受力钢筋最小配筋率 取值如下 级钢筋 min min 0 20 级钢筋 min min 0 15 min 为受拉钢筋的最小配筋率 min 为受压钢筋的最小配筋率 3 2 3 最大裂缝宽度允许值最大裂缝宽度允许值 1 长期组合 0 25
12、 cm 2 短期组合 0 30 cm 3 水质有侵蚀性时 0 15 0 20 cm 4 3 3 内力计算方法内力计算方法 衬砌内力计算有三种方法可供选用 1 边值法 该法将衬砌内力归结为求解非线性常微分方程组的边值问题 避免了手算中人 为假定弹性抗力分布图形带来的误差 可适用于各种断面的衬砌计算 有关计算公 式参阅 水工隧洞设计规范 附录 本软件所提供的边值法计算程序可计算荷载和结构不对称情况 为适应竖井计 算需要 程序中考虑了法向均布荷载 2 圆形有压隧洞衬砌计算方法 公式法 对于圆形有压洞 当内水压力为主要荷载时 常用 水工隧洞设计规范 附录 中提供的圆形有压隧洞衬砌计算公式进行计算 按照
13、公式法编制的程序进行计算时 首先按素混凝土考虑 按照相应公式求出 衬砌内外表面的混凝土拉应力 i和 0 设 l 为混凝土的允许轴向拉应力 当 0 l 时 按双层钢筋混凝土衬砌设计 当 0 1 i 1 时 按单层钢筋混凝土衬砌设计 当 0 1 i 1 时 按素混凝土衬砌设计 对单层或双层钢筋混凝土衬砌 先按最小配筋率配筋 按混凝土未出现裂缝情 况计算混凝土的应力 h 若 h未超过混凝土的允许轴向拉力 则说明混凝土不会 开裂 按最小配筋率计算满足要求 若 h超过混凝土的允许轴向拉力 再按混凝 土衬砌出现裂缝情况计算 3 有限元法 当隧洞断面较大 地质条件较复杂时 除用上述方法计算外 可用有限元法进
14、 行校核 系统提供的一个计算程序是带节理单元的平面八结点等参元程序 该程序 为线弹性计算程序 荷载 单元信息 结点座标等根据基本数据文件 JXS SD 由程 序自动生成 自动生成的网格结点数和单元数是固定的 衬砌层沿厚度方向取二层 8 结点等参元 围岩部分取三层 8 结点等参元 并假设围岩是均质的 在围岩和衬 砌之间布置了一层 6 结点节理单元 厚度取 2mm 当荷载以内水压力为主时 运行 5 期工况 节理单元弹模取混凝土衬砌弹模的 1 10 当荷载以外水压力为主时 为避 免围岩限制衬砌向内变形 节理单元弹模取 E 0 1MPa 衬砌四周围岩范围 左右取 3 倍洞高 上下取 3 倍洞宽 边界约
15、束条件 除圆形断面外 其它断面的边界均为上边自由 另外三面用链 杆约束 对圆形断面 上部 67 5 范围内为自由边界 其余边界为固定边界 有限元成果整理程序将应力转换成断面内力 用内力成果进行配筋计算 使用系统提供的有限元程序 其优点是不需要手工划分有限元网格和输入计算 数据 缺点是只适用于均质围岩和线弹性计算情况 3 4 选筋方法选筋方法 根据最大配筋面积和常用直径 计算出一组可供选择的钢筋间距 由设计人员 选择 间距初步选定后 再根据顶拱 底板 边墙的配筋面积确定各部位的直径 然 后进行裂缝验算 运行期偶然状况不进行裂缝验算 使所选钢筋同时满足应力和限 裂要求 城门洞型和方型断面的底板和边
16、墙 根据中间部分的最大配筋面积确定主筋 若两端配筋面积大于中间则加短筋满足 选筋采用计算和设计人员的经验判断相结合 用人机对话实现 3 5 制图约定制图约定 对各种类型断面的隧洞钢筋图 我们研究了大量实际施工图纸 结合设计人员 的工程经验 作出以下标准化处理 1 图块类型的确定 圆拱直墙形和方形隧洞有横剖面 边墙 顶拱 板 底板 图块 渐变段有横剖面 立面图块 圆形马蹄形有横剖面图块 各类均有钢筋表 材料表图块 2 施工缝位置 跨度3m 以下的隧洞不分缝 跨度大的圆形隧洞施工缝在45 135 225 315 处 其它类型在底板或边墙上 分缝数和位置由设计人员选定 3 钢筋接头布置在施工缝外50 100cm 处 不分缝的圆形洞则在45 225 处 4 内外层钢筋间距可不相同 同层钢筋直径也可不同 但相邻两段直径差不 超过两级 5 渐变段横剖面图不画联系筋 在材料表中计入重量 其它常用断面横剖面 6 图中 联系筋可虚实相间绘制 表示作梅花状布置 6 边墙或底板加短筋时 长度按高度或跨度的 1 4 取 但最后由设计人员选 定 方圆渐变段不用短筋 城矩渐变段侧墙上部和顶部也不用短筋 7 钢筋级
