本申请属于工程设计领域，尤其涉及一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法、装置及设备。
背景技术：
顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工时，在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。由于施工过程不需要开挖地面，不会破坏地面建筑物和环境，具有省时、高效、安全，综合造价低的优点。
顶管管节一般通过在顶管管节间设置木垫片，其中一个管节的管侧的凹槽设置有橡胶止水带，另一个管节的管侧镶嵌有与管道外表面相平的钢套环，连接方式与盾构隧道存在较大的差异，无法通过盾构隧道纵向计算模型获取顶管隧道的纵向的等效抗弯刚度计算，在施工过程中，不利于根据所确定的抗弯刚度对顶管隧道进行安全、可靠的施工。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请实施例提供了一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法、装置及设备，以解决现有技术中无法通过盾构隧道纵向计算模型获取顶管隧道的纵向抗弯刚度计算，在施工过程中，不利于根据所确定的抗弯刚度对顶管隧道进行安全、可靠的施工的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法包括：
获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数的步骤中，所述材料参数包括：所述顶管构件参数包括混凝土弹性模量ec、管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量e，截面受压区最大变形量为δc(max)，截面受拉区最大变形量为δb(max)；所述顶管隧道截面的尺寸参数包括：顶管隧道的截面圆半径r以及混凝土内环厚度d、止水带厚度s。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件的步骤包括：
根据截面受力平衡公式：
确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件，其中：ec为混凝土弹性模量，e为管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量，r为顶管隧道的截面圆半径，d为混凝土内环厚度，s为止水带厚度，δc(max)为截面受压区最大变形量，δb(max)为截面受拉区最大变形量，l为管节长度，c为中性轴与顶管中心轴的距离，φ为截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角，所述半径根据顶管截面上的中性轴与顶管所在的圆的交点确定，α为顶管上的点所确定的半径与顶管的竖直线之间的平角。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置的步骤包括：
将所述获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数代入所述截面受力平衡，确定所述截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角φ。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度的步骤包括：
根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，确定等效抗弯刚度计算公式：
其中，i1＝a1 a2 a3，i2＝b1 b2 b3
结合第一方面的第四种可能实现方式，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，确定等效抗弯刚度计算公式的步骤包括：
根据弯矩平衡条件确定截面转角θ满足的条件：
根据等效连续梁转角公式
结合第一方面，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述止水带为橡胶止水带。
本申请实施例的第二方面提供了一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置，所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置包括：
参数获取单元，用于获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
受力平衡条件确定单元，用于确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
中性轴位置确定单元，用于根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
等效抗弯刚度获取单元，用于根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
本申请实施例的第三方面提供了一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，确定顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件，根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管中的中性轴位置，根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度，从而有利于根据所确定的抗弯刚度对顶管隧道进行安全、可靠的施工。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的实现流程示意图；
图2是本申请实施例提供的顶管截面参数示意图；
图3是本申请实施例提供的顶管中性轴计算参数示意图；
图4是本申请实施例提供的一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置的示意图；
图5是本申请实施例提供的顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本申请实施例提供的一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的实现流程示意图，详述如下：
在步骤s101中，获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
具体的，本申请实施例中所述顶管结构为圆形，并且顶管管节之间设置有木垫片，相连的两个顶管管节，其中一个顶管管节的外侧设置有凹槽，凹槽内设置有止水带，所述止水带可以为橡胶止水带，另一个顶管管节设置有镶嵌在管节外而的钢套环，且所述钢套环与所述顶管管节的表面相平。
如图2所示的顶管管节的示意图中，所述顶管隧道截面的尺寸参数包括：顶管隧道的截面圆半径r以及混凝土内环厚度d、止水带厚度s。
本申请实施例中所述顶管材料参数，可以包括所述顶管构件参数包括混凝土弹性模量ec、管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量e，截面受压区最大变形量为δc(max)，截面受拉区最大变形量为δb(max)。
其中，所述中性轴是指在平面弯曲和斜弯曲情形下，横截面与应力平面的交线上各点的正应力值均为零，这条交线称为中性轴。
在步骤s102中，确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
在进行截面受力平衡条件确定之前，先绘制所述顶管对应的中性轴，即使得位于中性轴以下部分，即为木垫片受压侧；位于中性轴以上部分，木垫片为受拉侧。
如图3所示的弹性状态下顶管管节单元示意图中，中性轴以下的木垫片受压，可以得到计算方程为：
当管节受到弯矩m作用时，管节外侧凹槽处截面出现纵向位移并产生应力，在管节内侧混凝土端面出现纵向位移并产生应力，根据力学平衡条件可得：
根据该式即可确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件，其中：ec为混凝土弹性模量，e为管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量，r为顶管隧道的截面圆半径，d为混凝土内环厚度，s为止水带厚度，δc(max)为截面受压区最大变形量，δb(max)为截面受拉区最大变形量，l为管节长度，c为中性轴与顶管中心轴的距离，φ为截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角，所述半径根据顶管截面上的中性轴与顶管所在的圆的交点确定，α为顶管上的点所确定的半径与顶管的竖直线之间的平角。
并且，c＝rsinφ，
在步骤s103中，根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
将步骤s101所获取的顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，代入所述受力平衡条件计算公式：
在步骤s104中，根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
根据所述受力平衡条件计算公式，可以得到中性轴位置φ值满足：
根据弯矩平衡条件可得：
可解得截面转角θ满足以下条件：
根据截面转角θ满足的条件，结合等效连续梁转角公式
即可确定等效抗弯刚度计算公式：
其中，i1＝a1 a2 a3，i2＝b1 b2 b3
根据所述确定的顶管隧道的等效抗弯刚度，可以在顶管隧道试工时，为顶管隧道的纵向结构设计提供帮助。包括但不限于将获取的外部作用力与所述顶管隧道的等效抗弯刚度进行比较，如果比较结果不符合预设的安全要求，则及时的确定施工过程中的不安全因素。
作为本申请具体的一种实施方式，假设混凝土弹性模量ec＝3.45*1010，管节外侧橡胶止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量e＝1010，截面半径r＝1.65m，混凝土内环厚度d＝0.3m，橡胶止水带厚度(抗拉区注浆凹槽深度)s＝0.02m。将参数代入受力平衡公式，可以确定中性轴的位置参数φ＝62.9°。
将所述位置参数φ＝62.9°代入等效抗弯刚度计算公式，得到：
其中c＝rsinφ，i1＝a1 a2 a3，i2＝b1 b2 b3，ec＝3.45*1010，e＝1010。
则有i1＝10-4，i2＝2.0184；
解得等效抗弯刚度：(ei)eq＝3.1217*106 7.0238*108＝7.055*108n/m。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
图5为本申请实施例提供的一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置的结构示意图，所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置包括：
参数获取单元401，用于获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
受力平衡条件确定单元402，用于确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
中性轴位置确定单元403，用于根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
等效抗弯刚度获取单元404，用于根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
图4所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置，与图1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法对应。
图5是本申请一实施例提供的顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备的示意图。如图5所示，该实施例的顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5包括：处理器50、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述处理器50上运行的计算机程序52，例如顶管隧道的等效抗弯刚度确定程序。所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各个顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法实施例中的步骤。或者，所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，所述计算机程序52可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器51中，并由所述处理器50执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序52在所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5中的执行过程。例如，所述计算机程序52可以被分割成：
参数获取单元，用于获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
受力平衡条件确定单元，用于确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
中性轴位置确定单元，用于根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
等效抗弯刚度获取单元，用于根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备可包括，但不仅限于，处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的示例，并不构成对顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器50可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器51可以是所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的内部存储单元，例如顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的硬盘或内存。所述存储器51也可以是所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的外部存储设备，例如所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储所述计算机程序以及所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备所需的其他程序和数据。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元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，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
1.一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法包括：
获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
2.根据权利要求1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数的步骤中，所述材料参数包括：所述顶管构件参数包括混凝土弹性模量ec、管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量e，截面受压区最大变形量为δc(max)，截面受拉区最大变形量为δb(max)；所述顶管隧道截面的尺寸参数包括：顶管隧道的截面圆半径r以及混凝土内环厚度d、止水带厚度s。
3.根据权利要求1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件的步骤包括：
根据截面受力平衡公式：
确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件，其中：ec为混凝土弹性模量，e为管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量，r为顶管隧道的截面圆半径，d为混凝土内环厚度，s为止水带厚度，δc(max)为截面受压区最大变形量，δb(max)为截面受拉区最大变形量，l为管节长度，c为中性轴与顶管中心轴的距离，φ为截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角，所述半径根据顶管截面上的中性轴与顶管所在的圆的交点确定，α为顶管上的点所确定的半径与顶管的竖直线之间的平角。
4.根据权利要求1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置的步骤包括：
将所述获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数代入所述截面受力平衡，确定所述截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角φ。
5.根据权利要求1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度的步骤包括：
根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，确定等效抗弯刚度计算公式：
其中，i1＝a1 a2 a3，i2＝b1 b2 b3
为中性轴与顶管中心轴的距离，φ为截面上的中性轴所确定的半径与水平线之间的夹角，所述半径根据顶管截面上的中性轴与顶管所在的圆的交点确定，r为顶管隧道的截面圆半径，l为管节长度，s为止水带厚度，d为混凝土内环厚度，ec为混凝土弹性模量，e为管节外侧止水带与钢套环嵌套处抗拉区弹性模量，(ei)eq为等效抗弯刚度。
6.根据权利要求5所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，确定等效抗弯刚度计算公式的步骤包括：
根据弯矩平衡条件确定截面转角θ满足的条件：
根据等效连续梁转角公式
7.根据权利要求1所述的顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法，其特征在于，所述止水带为橡胶止水带。
8.一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置，其特征在于，所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定装置包括：
参数获取单元，用于获取顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数；
受力平衡条件确定单元，用于确定所述顶管受弯矩条件下截面受力平衡条件；
中性轴位置确定单元，用于根据所述顶管隧道截面的尺寸参数和顶管材料参数，结合所述受力平衡条件，确定所述顶管的中性轴位置；
等效抗弯刚度获取单元，用于根据所述中性轴位置和等效连续转角确定方式，获取所述顶管隧道的等效抗弯刚度。
9.一种顶管隧道的等效抗弯刚度确定设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述顶管隧道的等效抗弯刚度确定方法的步骤。
技术总结