錨索框架梁的受力分析研究

曹玉亮 汪成 程彬

預應力錨索框架梁是預應力錨索與混凝土框架梁的復合結構,能夠充分發揮錨索和框架梁的錨固作用,被廣泛應用于邊坡加固中。但在工程實踐中,仍有不少因框架梁發生破壞導致邊坡失穩的事故發生,因此,對框架梁內力的分布及作用在框架梁上土壓力的分布,仍需要做進一步的探討。

1 錨索框架梁工作階段劃分

根據預應力錨索框架梁加固邊坡體的作用機理和具體施工過程,可將其受力狀態分為兩個階段,即張拉階段和工作階段。張拉階段指的是張拉剛剛完成的階段,此時作用在梁上的外力主要有錨索張拉力、梁下巖土體的反壓力、梁的重力和梁底摩擦力。由于后兩者相對前兩者非常小,故這里只考慮作用于梁上的兩個主要外力,即錨索張拉力和梁下巖土體的反壓力。當錨索預應力張拉完成并錨固抑制穩定后,預應力錨索框架梁便逐漸進入工作階段,此階段是預應力錨索框架梁結構的主要受力階段。這時作用在梁上的主要外力仍是錨索張拉力和梁下巖土體的反壓力,但在工作階段,由于錨索的存在,錨索緊拉框架梁抑制了坡體的滑移變形,起到加固坡體的作用,此時梁底反壓力主要是來自梁底巖土體變形壓框架梁而形成的主動巖土體壓力。

2 數值模型建立

2.1 數值模擬方案

我們關心的問題是框架梁在邊坡土體作用下內力的情況,為了分析簡化,計算中只考慮一個框架梁單元的作用,忽略梁自重和摩擦力作用,梁跟錨索假定為線彈性材料。

本次分析采用平面應變分析,對預應力錨索框架橫梁的模擬比較困難,考慮到框架的力學作用主要是將巖土體的側向壓力傳遞給錨索,同時也將錨索的錨固力通過框架傳遞給下面的巖土體,橫梁的作用增加了框架的剛度,因此本次分析時采用等效分析方法,即將框架中豎梁的慣性矩乘以1.5,以此來考慮橫梁的作用。

框架梁進入工作階段時,由于坡頂負載或者降雨等原因,使巖土體參數值降低,從而造成土體向外滑移,模擬中采取降低巖土體參數30%的方法模擬框架梁工作階段時的受力。

2.2 計算模型

計算模型高45 m,寬56 m,上部為自由邊界,作用兩側水平約束,底部固定。邊坡模型見圖1。

2.3 計算參數

框架梁橫截面積為0.2 m2(寬0.4 m,高0.5 m),彈性模量為30 GPa,慣性矩為0.004 2 m4,縱梁按長12 m,6 m分別計算;錨索橫截面積 0.009 5 m2,彈性模量 195 GPa,泊松比 0.3,容重78 kN/m3,計算時,每根錨索的預應力均施加為150 kN。巖土體參數見表1。

表1 巖土體計算參數

3 計算結果分析

實際施工中,框架梁的破壞很少是由于剪力的原因引起的,故本文只討論彎矩。結果見圖2～圖4。

3.1 張拉階段

由圖2,圖4可知,張拉階段中,在某一節點加載,除了在該節點處造成負彎矩外,還在另一節點處造成正彎矩。在加載過程中基本都是節點處彎矩絕對值比跨中大,而且節點處梁底都處于受拉狀態。比較圖2與圖3,可以看出隨著梁長度的增加,跨中彎矩向負彎矩方向發展,當梁的長度達到一定值時,其中間部位會產生負彎矩,而且隨梁長度的增加,負彎矩會變得越大,因此在實際工作中,采取雙筋設計或者錨索間距不宜過大。

3.2 工作階段

圖3為豎梁工作階段彎矩圖。工作階段圖3與張拉階段圖2相比,豎梁彎矩值增大,說明工作階段框架梁的受力發生了改變,框架梁的內力增大,框架梁起到了約束坡體滑動的作用。

3.3 錨索框架梁對梁底土體附加應力影響

錨固效應產生的根本原因在于巨大的錨固力主動作用下坡體內應力的重新分布。圖5為錨固前邊坡應力云圖,在無預應力作用下,坡面出現拉應力,表示坡體趨于破壞。圖6為施加預應力后框架梁與巖體之間的土壓力分布,土壓力主要集中在節點附近,節點處大,跨中小。在錨固力作用下,坡體內應力發生了明顯變化,主應力中心向錨固力集中區域即框架梁底部區域偏移,主應力向四周擴散,體現了預應力錨索的主動加固特性。一般自重應力引起的地基壓縮變形絕大部分已經在地質歷史時期完成,所以,影響坡體變形穩定性主要是由錨固力所引起的附加應力。預應力錨索框架中,錨索錨固到框架上,錨固力首先作用于框架,然后通過框架傳遞給土體,從而在巖土體中產生附加應力,調整巖土體內應力環境,達到加固邊坡的目的。

4 結語

經過模擬分析,得出錨索框架梁主要受力變化規律情況如下:1)錨索框架梁不管是在張拉階段還是在工作階段,節點處彎矩值最大;工作階段彎矩受力大于張拉階段,且隨著梁長度的增加,跨中彎矩向負值方向發展。2)坡體內應力在錨固力主動作用下進行了重新分布,土壓力主要集中在節點附近,節點處大,跨中小,主應力中心向框架梁底部區域偏移,主應力向四周擴散。預應力錨索框架有效改善了邊坡的應力應變狀態。

注:孫建樂,王晗參與了本文的寫作。

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