装配式框架预应力锚索支护结构及其承载特性

刘少龙，赵一波，赵剑峰，郭 楠，陆 发

(1.中铁二十一局集团第四工程有限公司， 陕西 西安 710000；2.兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

西北地区地形崎岖、山高坡陡、沟壑纵横，水文地质条件复杂，常常发生各种地质灾害问题。其中滑坡地质灾害较多，往往造成基础设施破坏和威胁人民群众生命财产安全[1-2]。常用边坡支护结构种类繁多，如框架预应力锚索支护结构、抗滑桩、重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、加筋土挡墙等[3-4]。框架预应力锚索支护结构作为常见的边坡和滑坡支护结构，具有承载能力好、稳定性好、造价低等优点[5-6]，研究结果也较成熟，特别是何思明等[7]根据地梁、地基之间荷载、变形协调关系建立联立方程，计算地梁梁下土反力分布、地梁变形特性等；梁瑶等[8]采用Winkler 弹性地基梁模型，把结构简化为横、纵静定梁，滑坡推力确定土压力，研究滑坡作用下支护结构内力和变形；王春光等[9]探究了支护工程中的纵、横梁的位移分布特点，并总结了预应力锚索框架梁内力计算简化方法。然而，该结构存在框架梁需要支模现浇施工工期长、施工机械化程度低等不足，很难完成快速治理与抢险救灾的任务。

近年来，传统现浇建筑业的生产方式已经不能满足我国新时代环保政策、节约资源等需求，故绿色施工和建筑装配化已成为我国建筑业的发展方向。鉴于装配式建筑具有工期短、绿色施工、易安装、反复利用等优点[10-11]，同时，国家在2016年提出大力发展装配式建筑的指导意见。部分学者对装配式框架进行了研究，苏俊霞等[12]、郑静等[13]分别提出两根单向、双向变截面梁经高强黏合剂拼装成十字型的拼装式锚杆(索)框架结构，但是该类框架结构节点和拼装连接处易破坏、易产生不均匀变形、配筋相对复杂；杨校辉等[14-15]改进提出了新型不同节点连接的装配式框架预应力锚索支护结构及其施工方法，该结构具有耐久性好、不易变形等优点，但是其中钢节点装配式框架预应力锚索支护结构承载特性还未进行研究。因此，钢节点装配式框架预应力锚索支护结构仍然需要进一步的研究。

综上所述，面对危害大、地质条件差、支护工期紧的滑坡和边坡，本文提出一种基于钢节点连接的装配式框架预应力锚索支护结构，通过MIDAS GTS数值模拟软件和现场监测研究装配式框架预应力锚索支护结构的力学特征，从而揭示装配式框架预应力锚索支护结构的承载特性，同时为该结构的应用提供依据。

1 装配式框架预应力锚索支护结构

1.1 装配式框架支护结构组成

装配式框架预应力锚索支护结构包括：预制梁、预制钢节点、锚索、预制桩基等，如图1(a)。预制梁为钢筋混凝土构件，两端设有预留主筋；预制钢节点由上部钢板、下部钢板和侧向钢板焊接构成，按构造形式不同可分为“十字型”钢节点、“T型”钢节点和“L型”钢节点，图1(b)—图1(d)为不同钢节点结构详图。所述预制钢的中心设有锚索孔，上部钢板和下部钢板的端部设有钢筋孔，侧向钢板上设有补强螺栓。其中预制钢节点和预制梁通过预留主筋和对应的钢筋孔进行相连，连接可采用焊接或螺栓连接，图1(e)为预制梁和钢节点连接详图。

1-预制桩基 2-预留锚索孔 3-预制梁 4-预留主筋 5-上部钢板 6-下部钢板 7-侧向钢板 8-补强螺栓 9-钢筋孔

1.2 装配式框架预应力锚索支护结构施工关键技术

装配式框架预应力锚索支护结构施工步骤为预制构件(施工准备、入模、振捣、养护)、边坡修整、成孔、构件安装、锚索施工、构件的连接等，施工流程如图2所示。由图2可知，该支护结构可以在边坡修整、锚索成孔施工时同时进行钢节点和预制梁的施工，简化了施工步骤，缩短施工工期，而且预制过程中机械化程度高、劳动力成本低，极大程度的降低了施工难度，使工程趋于高效、高质及环保，特别适合一些危害大、地质条件差、施工条件恶劣、施工工期紧的边坡或滑坡治理工程。

图2 装配式框架预应力锚索支护结构施工流程

装配式框架预应力锚索支护结构锚索施工时应根据工程设计的要求准确定位锚索的位置，并在坡面上进行标记。按照锚索孔位进行预制构件的安装拼接，在安装第一排预制构件时，东西两端各安置一个“L型”钢节点，中间部分全部安置“十字型”钢节点和预制梁；在安装第二排至最后一排预制梁时，东西两端均安置“T型”钢节点，中间部分安置“十字型”制构件和预制梁；待构件拼接完成后，将钢节点用高强度螺栓或电焊连接，并使用同等级的混凝土进行封闭。预制构件临时固定措施应符合设计、专项施工方案要符合国家现行标准规定。预制构件采用后浇混凝土连接时，构件连接处后浇混凝土的强度应符合《混凝土强度检验标准》[16](GB/T 50107—2010)的规定；预制构件采用型钢焊接时，型钢焊缝接头质量除满足设计要求外，还需满足《钢结构焊接规范》[17](GB 50661—2011)和《钢结构工程施工质量验收规范》[18](GB 50205—2001)的规定。

2 承载特性研究

为了研究钢节点连接的装配式框架预应力锚索支护结构承载特性，采用MIDAS GTS软件对该装配式框架不同钢节点和预制梁的应力、应变变化规律进行研究。

2.1 MIDAS GTS模拟软件

MIDAS GTS是专门针对岩土基坑、边坡、隧道等变形和应力分析而开发的“岩土结构有限元分析软件”，操作界面简单、易于操作、功能性广，能够提供完全的二维、三维动态模拟功能。该软件建立的数值模型是真实系统理想化的数学抽象模型，主要由节点和单元组成。

2.2 数值模型和边界条件

随着“放射线为主、纵横线为辅”的甘肃省高速网建设，S25静宁至天水高速公路产生了大量的高边坡工程，其中ZK123+400—ZK123+650有最大填高近25 m高填方路堤；YK123+570—YK123+872有牵引式中层滑坡(坡体长约220 m，宽约310 m)等，这些区段工程地质条件较差，边坡变形问题突出，机械施工较难。因此，数值模型选取该工程某均质边坡坡体边坡高为8 m，坡率为1.0∶0.6，采用装配式框架预应力锚索支护结构。预制梁断面尺寸为0.30 m×0.35 m，横向和竖向预制梁的长度分别为1.90 m、1.57 m。锚索水平和竖向间距均为2.80 m，锚索倾角均为15°。数值模拟相关参数见表1，其中黄土参数由地勘报告确定。

表1 数值模拟所用材料相关参数

装配式框架模型为自动约束的边界条件，并采用线性静力分析研究装配式框架模型，其模型如图3所示。由于作用荷载、框架结构对称，故通过装配式框架预应力锚索支护结构左侧A、B、C、D、E、F、G钢节点研究其承载特性，同时研究每个预制钢节点连接处和中心部位的应力、应变变化规律，图4为装配式框架模型承载特性研究节点位置。

A-十字型预制钢节点1 B-十字型预制钢节点2 C-十字型预制钢节点3 D-T字型预制钢节点1 E-T字型预制钢节点2 F- T字型预制钢节点3 G-L字型预制钢节点

2.3 模拟结果分析

2.3.1 十字型预制节点

图5(a)和图5(b)分别是装配式框架十字型预制钢节点应力变化规律图、装配式框架十字型预制钢节点应变变化规律图。由图5(a)可知，每个十字型预制钢节点中心1和竖向连接点4、5应力大，横向连接点应力小(仅为2.0 MPa)，装配式框架十字型预制钢节点主要竖向受力；随着十字型预制钢节点的高度增加其节点整体应力减小。由图5(b)发现，单个十字型预制钢节点中点4应变最大，其余各点应变近似相同；装配式框架的十字型预制钢节点应变与高度的变化呈正相关增大。装配式结构预制构件连接处最为薄弱，因此根据十字型钢节点的受力特点应注意其加强竖向连接的强度。

图5 装配式框架十字型预制钢节点内力变化规律

2.3.2 T型预制节点

图6(a)和图6(b)分别是装配式框架T型预制钢节点应力变化规律图、装配式框架T型预制钢节点应变变化规律图。由图6(a)可知，每个T型预制钢节点中心1和竖向连接点3、4应力大，横向连接点应力小(仅为2.0 MPa)，装配式框架T型预制钢节点主要竖向受力；T型预制钢节点随着高度增加整体应力减小。由图6(b)发现，单个T型预制钢节点3点应变最大，其余各点应变近似相同；T型预制钢节点随着高度增加整体应变增大。装配式框架主要由中间框架部分受力，但是T型钢节点主要分布于装配式框架两侧，因此T型钢节点相比于十字型钢节点受力较小。

图6 装配式框架T型预制钢节点内力变化规律

2.3.3 L型预制节点

表2为装配式框架L型预制钢节点应力和应变。L型预制钢节点一般位于整个框架预应力锚索支护结构的顶部两端位置。由表2可知，装配式框架L型预制钢节点所受应力较小、应变较大；L型预制钢节点应变为整个框架预应力锚索支护结构应变最大。由于L型预制钢节点仅分布于装配式框架顶部两侧，同时，该节点相比于十字型和T型钢节点所受应力较小，因此其相比于十字型、T型预制构件节点连接处强度可以较低。

表2 装配式框架L型预制钢节点应力和应变

2.3.4 预制梁

图7(a)和图7(b)分别是装配式框架预制梁应力变化规律图、装配式框架预制梁应变变化规律图。由图7(a)和图7(b)可知，从装配式整体看，竖向的预制梁应力、应变随着高度增加而减小，横向的预制梁应力、应变随着框架中心到框架边缘预制梁应力越来越小，同时横向预制梁应力、应变都很小；从单个预制梁看，竖向预制梁应力与高度呈负相关变化、应变与高度呈正相关变化。根据装配式框架竖向预制梁比横向预制梁的受力大，因此竖向预制梁和横向预制梁可按不同配筋进行设计，节省造价。

图7 装配式框架预制梁的应力、应变变化规律

3 现场监测研究

3.1 监测工程概况及布置方案

S25静宁至天水高速公路庄浪至天水6标段(YK118+800—K133+792.522)有多个高边坡工程，由于工期要求，2K129+215到2K129+268段采用装配式框架预应力锚索支护结构，该段边坡坡高、坡度分别为16 m、53°。根据装配式框架结构节点承载特性，分别取装配式框架支护结构1、2、3、4节点进行监测，监测点位布置位置如图8所示，现场监测传感器安装如图9所示。

图8 装配式框架梁现场监测点位布置图

图9 装配式框架梁现场监测点位布置图

3.2 装配式节点监测数据分析

图10是装配式节点应力变化对比图。图11是装配式节点应变变化对比图。

图10 装配式节点应力变化对比图

图11 装配式节点应变变化对比图

通过图10预制节点应力变化对比图发现，该装配式框架监测点1、2、4处应力较小，监测点3应力较大，装配式框架整体随高度不断增加应力越来越大，但是第一排锚索处应力发生突变。因此该监测结果验证模拟所得装配式框架随高度呈正相关变化的规律。分析3点应力突变原因为该监测点3接近自坡顶到坡底第一排锚索，第一排锚索为防止边坡滑动，其拉力往往较大。根据图11发现监测点4应变最小，监测点1、2、3应变近似一样，该监测结果证明模拟所得规律：竖向整个结构越接近坡顶节点应变低，靠近坡底节点应变大。

4 结 论

(1) 本文提出的装配式框架预应力锚索支护结构由等截面预制梁、钢节点组成，该结构具有施工方便、工期短、耐久性好、成本低等优点，有效提高了工程质量，使工程趋于高效、高质及环保，适用于边坡和滑坡工程。

(2) 根据数值模拟发现装配式框架十字型和T型预制钢节点锚索孔和竖向的连接点受力较大，竖向预制梁比横向预制梁受力大，同时装配式框架连接处变形较大。

(3) 通过现场监测发现该装配式框架预应力锚索支护结构主要竖向受力，其应力随高度增加越来越大，对于边(滑)坡具有显著加固作用，但是面对滑坡临应急救灾和高陡边坡时，装配式框架比现浇框架施工具有工期短、造价低等优点。