锚索框架梁的受力分析研究

曹玉亮 汪成 程彬

预应力锚索框架梁是预应力锚索与混凝土框架梁的复合结构,能够充分发挥锚索和框架梁的锚固作用,被广泛应用于边坡加固中。但在工程实践中,仍有不少因框架梁发生破坏导致边坡失稳的事故发生,因此,对框架梁内力的分布及作用在框架梁上土压力的分布,仍需要做进一步的探讨。

1 锚索框架梁工作阶段划分

根据预应力锚索框架梁加固边坡体的作用机理和具体施工过程,可将其受力状态分为两个阶段,即张拉阶段和工作阶段。张拉阶段指的是张拉刚刚完成的阶段,此时作用在梁上的外力主要有锚索张拉力、梁下岩土体的反压力、梁的重力和梁底摩擦力。由于后两者相对前两者非常小,故这里只考虑作用于梁上的两个主要外力,即锚索张拉力和梁下岩土体的反压力。当锚索预应力张拉完成并锚固抑制稳定后,预应力锚索框架梁便逐渐进入工作阶段,此阶段是预应力锚索框架梁结构的主要受力阶段。这时作用在梁上的主要外力仍是锚索张拉力和梁下岩土体的反压力,但在工作阶段,由于锚索的存在,锚索紧拉框架梁抑制了坡体的滑移变形,起到加固坡体的作用,此时梁底反压力主要是来自梁底岩土体变形压框架梁而形成的主动岩土体压力。

2 数值模型建立

2.1 数值模拟方案

我们关心的问题是框架梁在边坡土体作用下内力的情况,为了分析简化,计算中只考虑一个框架梁单元的作用,忽略梁自重和摩擦力作用,梁跟锚索假定为线弹性材料。

本次分析采用平面应变分析,对预应力锚索框架横梁的模拟比较困难,考虑到框架的力学作用主要是将岩土体的侧向压力传递给锚索,同时也将锚索的锚固力通过框架传递给下面的岩土体,横梁的作用增加了框架的刚度,因此本次分析时采用等效分析方法,即将框架中竖梁的惯性矩乘以1.5,以此来考虑横梁的作用。

框架梁进入工作阶段时,由于坡顶负载或者降雨等原因,使岩土体参数值降低,从而造成土体向外滑移,模拟中采取降低岩土体参数30%的方法模拟框架梁工作阶段时的受力。

2.2 计算模型

计算模型高45 m,宽56 m,上部为自由边界,作用两侧水平约束,底部固定。边坡模型见图1。

2.3 计算参数

框架梁横截面积为0.2 m2(宽0.4 m,高0.5 m),弹性模量为30 GPa,惯性矩为0.004 2 m4,纵梁按长12 m,6 m分别计算;锚索横截面积 0.009 5 m2,弹性模量 195 GPa,泊松比 0.3,容重78 kN/m3,计算时,每根锚索的预应力均施加为150 kN。岩土体参数见表1。

表1 岩土体计算参数

3 计算结果分析

实际施工中,框架梁的破坏很少是由于剪力的原因引起的,故本文只讨论弯矩。结果见图2～图4。

3.1 张拉阶段

由图2,图4可知,张拉阶段中,在某一节点加载,除了在该节点处造成负弯矩外,还在另一节点处造成正弯矩。在加载过程中基本都是节点处弯矩绝对值比跨中大,而且节点处梁底都处于受拉状态。比较图2与图3,可以看出随着梁长度的增加,跨中弯矩向负弯矩方向发展,当梁的长度达到一定值时,其中间部位会产生负弯矩,而且随梁长度的增加,负弯矩会变得越大,因此在实际工作中,采取双筋设计或者锚索间距不宜过大。

3.2 工作阶段

图3为竖梁工作阶段弯矩图。工作阶段图3与张拉阶段图2相比,竖梁弯矩值增大,说明工作阶段框架梁的受力发生了改变,框架梁的内力增大,框架梁起到了约束坡体滑动的作用。

3.3 锚索框架梁对梁底土体附加应力影响

锚固效应产生的根本原因在于巨大的锚固力主动作用下坡体内应力的重新分布。图5为锚固前边坡应力云图,在无预应力作用下,坡面出现拉应力,表示坡体趋于破坏。图6为施加预应力后框架梁与岩体之间的土压力分布,土压力主要集中在节点附近,节点处大,跨中小。在锚固力作用下,坡体内应力发生了明显变化,主应力中心向锚固力集中区域即框架梁底部区域偏移,主应力向四周扩散,体现了预应力锚索的主动加固特性。一般自重应力引起的地基压缩变形绝大部分已经在地质历史时期完成,所以,影响坡体变形稳定性主要是由锚固力所引起的附加应力。预应力锚索框架中,锚索锚固到框架上,锚固力首先作用于框架,然后通过框架传递给土体,从而在岩土体中产生附加应力,调整岩土体内应力环境,达到加固边坡的目的。

4 结语

经过模拟分析,得出锚索框架梁主要受力变化规律情况如下:1)锚索框架梁不管是在张拉阶段还是在工作阶段,节点处弯矩值最大;工作阶段弯矩受力大于张拉阶段,且随着梁长度的增加,跨中弯矩向负值方向发展。2)坡体内应力在锚固力主动作用下进行了重新分布,土压力主要集中在节点附近,节点处大,跨中小,主应力中心向框架梁底部区域偏移,主应力向四周扩散。预应力锚索框架有效改善了边坡的应力应变状态。

注:孙建乐,王晗参与了本文的写作。

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