第３６卷第７期 ２ ０ １ ０年３月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ ７ Ｍａｒ．２０１０ ・５５・ 文章编号：１００９ ６８２５（２０１０）０７．００５５，０２ 锚索框架梁的受力分析研究 曹玉亮 汪成 程彬 摘 要：应用ＡＮＳＹＳ有限元分析程序对锚索框架梁进行了数值模拟，分析了不同工作阶段下框架梁的内力及作用在框 架梁上的土压力，总结出了框架梁内力与框架梁梁底土压力的变化规律。 关键词：锚索框架梁，弯矩，土压力，变化规律 中图分类号：ＴＵ３７８．２ 文献标识码：Ａ 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 摩擦力作用，梁跟锚索假定为线弹性材料。 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 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 考虑到框架的力学作用主要是将岩土体的侧向压力传 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 比较困难，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 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 土压力的分布，仍需要做进一步的探讨。 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。 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 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。 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。 ２．２计算模型 计算模型高４５ ｍ，宽５６ ｍ Ｅ部为自由边界，作用两侧水平 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 约束，底部固定。边坡模型见图１。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 图１ 锚索框架梁二维平面有限元模型 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 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 ３０ ＧＰａ，惯性矩为０．００４ ２ ｍ４，纵梁按长１２ ｍ，６ ｍ分别计算；锚索 １）抛物线形悬臂梁在自由端部产生最大挠度且ＡＮＳＹＳ数值 ［１］ 武解与理论解非常接近，精度满足工程应用的要求。 内力和变形，为设计提供参考，这是传统方法不容易做到的，由此 也可以看出有限元方法的优越性。 ３）对于形状特别的构件，传统方法需要做大量的简化，造成 芳．变截面空间梁单元刚度矩阵及等效结点荷载公式 ［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００６． １９（１）：５—７． ［３］ 王新敏．ＡｌＮＳＹＳ工程结构数值分析［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００７． ２）用ＡＮＳＹＳ进行结构分析，可以很精确地得到各个截面的 ［２］ 张元海．一个改进的平面梁单元［Ｊ］．计算力学学报，２００２， 很大的近似，而ＡＮＳＹＳ能轻松应付，得出比较符合实际的结论。 参考文献： ［４］ 李 围．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水 电出版社，２００７． Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｂｏｌｉｃ．ｓｈａｐｅｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ ＬＩＵ Ｂｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｂｏｌｉｃ—ｓｈａｐｅｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｗｉｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｉｎ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ［１］，ｔｈｅ ｔｅｘｔ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｗｏ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ．Ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｂｏｌａ，ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ，ＡＮＳＹＳ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 收稿日期：２００９．１１—１７ 作者简介：曹玉亮（１９７７一），男，工程师，煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安汪７１００５４ ７１００５４ 成（１９７２．），男，高级工程师，煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安程彬（１９８１一），女，助理工程师，煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安７１００５４ ・５６・ ．＜ ． ２第３ ０ ６卷尝 智 １ ０ ３年月 山 西 建 筑 。ｇ． Ｉ／ 在无预应力 横截面积０．００９ ５ ｍ２，弹性模量１９５ ＧＰａ，泊松比０．３，容重 体内应力的重新分布。图５为锚固前边坡应力云图，姗 ｏ∞啪 抛啪姗如０ ７８ ｋＮ／ｍ３，计算时，每根锚索的预应力均施加为１５０ ｋＮ。岩土体 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 参数见表１。 表１岩土体计算参数 土层名称 弹性模量／ＧＰａ 泊松比 表层岩土 下层岩土 ２ １０ ０ ３５ ０ ３ 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 ２５ ３０ ２８ ２８ ７ 容重／ｋＮ・ｍ一３ 内摩擦角／（ ） 内聚力／ｋＰａ ２０ ２３ 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。 Ｎ ）ＡＩ ９ ＩⅡ１（ ＳⅡ ＝２ ｓＵＢ＝４ 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。 ： ． ｒｌｌ￣Ｅ＝２ １ ２ ３ ４ ！ ８ ９ １０ １ｌ １２’１ ｓＩ （Ａ、Ｇ） Ｉ Ⅸ＝．０ｏ１ ９８２ ：一３８７ ４３３ ＝１８ ３６７ 图２ 竖梁（１２ ｍ）长张拉阶段弯矩 ３８７ ４３３——２９７２５５——２０７０７８——１１６ ９００——２６ ７２２ １８ ３６７ ３４２ ３４４ —２５２ １６６ ～１６１ ９８９ —７１ ８１１ 图５锚固前边坡应力 。 印 ５０ 、—！● 一 ¨ ㈠ 。 图３ 竖梁（１２ ｍ）长工作阶段弯矩 ４０ ３０ ２０ １０ ０ ｌ ２ ４ ６ ， 纛鋈麟口嘲 图６ 施加预应力后框架梁与岩体之间的土压力分布 ４结语 Ｘ／ｌｍ 加 研 ｝暑 拟 ∞仍 枷仍 ｝呈ｍ 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 图４ 竖梁（６ ｍ）长张拉阶段弯矩 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 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 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 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 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 应力锚索框架有效改善了边坡的应力应变状态。 拉状态。比较图２与图３，可以看出随着粱长度的增加，跨中弯矩 注：孙建乐，王晗参与了本文的写作。 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 参考文献： 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 ［１］徐磊．预应力锚索地梁设计及其内力影响分析［Ｄ］．成都： 工作中，采取双筋设计或者锚索间距不宜过大。 四川大学硕士学位论文，２００６． 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 ［２］ 刘宝奎．预应力锚索框架加固边坡的机理研究［Ｄ］．北京：铁 道科学研究院硕士学位论文，２００６． 周德培，周应华．预应力地梁锚索改善边坡受力状 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， ［３］蒋楚生，态的理论分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２７（８）：２５—２７． 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 ［４］赵晓彦．类土质边坡特性及其锚固设计理论研究［Ｄ］．成都： 西南交通大学博士学位论文，２００５． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ａｎｃｈｏｒ ｆｒａｍｅ ｂｅａｍ ＣＡＯ Ｙｕ－ｌｉａｎｇ ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ ＣＨＥＮＧ Ｂｉｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＦＥＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｍａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ａｎｃｈｏｒ ｃａｂｌｅ ｆｒａｍｅ ｂｅａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｆｏｒｃｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ａｎｃｈｏｒ ｆｒａｍｅ ｂｅａｍ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｃｈｏｒ ｆｒａｍｅ ｂｅａｍ，ｍｏｍｅｎｔ，ｅａｒｔｈ ｆｏｒｃｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ
