贺 欢

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

1 研究背景

输水隧洞由于结构所受荷载的多样性和复杂性常常出现裂缝，裂缝的存在危害隧洞的安全稳定运行，因此隧洞衬砌裂缝一直是研究关注的重点。隧洞衬砌与围岩联合受力的特点，完全不同于独立承载的钢筋混凝土梁、板、柱结构。衬砌一旦开裂，与围岩接触面的应力产生重分布，将显著改变衬砌裂缝的变化特性[1]。由于开裂机理的复杂性和裂缝生成的随机性，关于衬砌裂缝宽度的计算尚无定论。

佘磊等[2]对现有国内外钢筋混凝土衬砌裂缝计算公式进行了综述。这些计算公式大致分为两类[3]：一是基于裂缝开展机理推导理论公式再用试验资料确定计算系数的半理论半经验公式；二是根据大量实测资料采用回归分析法分析不同参数对裂缝开展宽度的影响程度。两类计算公式都需要求解受力钢筋应力，而隧洞由于围岩压力和内外水压力作用、混凝土开裂非线性等因素，使得采用简化的解析法计算钢筋应力存在一定困难与偏差，特别是对于非圆形断面隧洞非对称分布力学模型，解析法更是难以求解[4]，因此一些研究者开始研究有限元数值解法。

现有研究对于钢筋-混凝土粘结滑移效应的模拟常运用弹簧单元[5]，但钢筋为线级图元而混凝土为体级图元，导致网格划分后需要建立弹簧单元节点对的方向错综复杂，使得建立指定受力方向的弹簧单元难度骤增，甚至根本无法实现。……