岩壁吊车梁有限元分析的关键技术问题研究

作者:傅少君;邱焕峰;于英姬;陈胜宏 刊名:岩石力学与工程学报 上传者:张倩宇

【摘要】目前,岩壁吊车梁设计所采用的刚体极限平衡设计方法还不能确切反映岩锚吊车梁的实际受力状态。有限元法是分析研究岩壁吊车梁较为有效而应用广泛的一种方法,围绕岩壁吊车梁有限元法中的关键技术问题开展系列研究工作。根据岩壁吊车梁的受力机制,建立相应的力学模型、安全度计算公式,研究吊车梁网格尺度、模型范围、初始应力场、锚杆套筒长度以及围岩类别等因素对有限元结果的影响,同时还研究开挖释放应力和运行期轮压作用对岩壁吊车梁的双重效应。主要研究成果已被《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》(送审稿)及条文说明所采用。

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1引言岩壁吊车梁是地下厂房中非常重要的构件之一,它利用长锚杆将钢筋混凝土吊车梁固定在岩壁上,通过长锚杆和钢筋混凝土吊车梁与岩石接触缝之间的摩擦力将全部荷载以及吊车自重传递到岩体上(见图1)。1986年,我国首次在鲁布革水电站地下图1岩壁吊车梁的结构型式示意图Fig.1Schematicdiagramofcranebeamonrockwall厂房中成功地采用了岩壁吊车梁结构[1],随后在广州抽水蓄能电站、东风电站、太平驿电站、江垭电站、小浪底电站、大朝山电站、三峡水电站、瀑布沟水电站以及小湾水电站等地下厂房中都采用了这种形式的吊车梁。目前,国内在研究岩壁吊车梁时多采用刚体力系平衡法[25],该方法一般仅考虑吊车作用,锚杆长度采用经验公式确定,未考虑洞室开挖效应以及梁体混凝土、围岩和锚杆协同变形,假定上、下排锚杆受力比值关系和岩壁反力的分布形式,理论依据欠缺,使得计算结果与实测结果出入较大,计算结果欠合理。有限元法可以考虑复杂的边界条件、材料的非线性以及模拟施工过程等,是目前研究岩壁吊车梁受力机制最为有效的手段之一[69]。近年来,非线性有限元法已广泛应用于水电工程中的复杂问题研究[10]。我国的一些设计规范已将有限法列入,并给出了相应的基本要求及以有限元计算结果为基础的控制标准等。因此,将有限元法列入《水电站地下厂房岩壁吊车梁设计规范》是我国水电工程建设发展的必然。然而,存在如下一些关键技术问题急需回答:有限元法计算岩壁吊车梁与刚体力系平衡法的差异何在?采用有限元法分析岩壁吊车梁的客观标准怎么定?地质缺陷、工程措施、施工过程等如何模拟?计算方法、计算假定如何统一?本文正是在此背景下而开展研究的。2岩壁吊车梁的受力机制和力学模型2.1受力机制(1)吊车梁岩壁吊车梁一般是在洞室向下开挖到一定高度后才施工完成,因此,岩壁吊车梁结构的变形与应力是由后续洞室开挖荷载及运行期吊车荷载和梁体自重共同作用引起的[1114]。施工期,洞室开挖引起相邻岩体回弹变形而改变了吊车梁的边界条件,吊车梁内由此产生的应力主要表现为受压,且压应力不大;运行期,吊车轮压作用对围岩应力的影响很小,以吊车荷载作用点为界,梁体外侧主要表现为受压,最大压应力和剪应力位于吊车荷载作用点处,该位置可能存在局部压剪屈服区。(2)接触缝吊车梁和岩壁的接触缝是岩壁吊车梁结构中的薄弱部位,衡量吊车梁与岩壁接触缝力学行为的物理量主要有4个[14],即接触缝上的正应力、剪应力、接触缝的开度及相对滑移。竖直接触缝上最大正应力和剪应力一般都分布在接触缝的顶部,沿着缝面向下,正应力和剪应力值逐渐减小,正应力主要为受拉,剪应力方向为使吊车梁沿接触缝相对岩体向下滑动,第二排斜拉锚杆以下的接触缝上正应力和剪应力已经非常小,拉应力和剪应力在2排斜拉锚杆处有突降现象,说明锚杆的确存在限剪、限裂作用;斜接触缝上正应力和剪应力的分布规律是:最大正应力和剪应力一般都分布在斜接触缝底部;除在与竖直接触缝交接处有可能存在较小的拉应力外,斜接触缝基本上都处于受压状态。接触缝一般采用砂浆材料处理,抗拉和抗剪性能都非常弱,竖直接触缝在施加轮压后一般就处于开裂状态,倾斜接触缝存在压应力而黏结状态较好。(3)锚杆锚杆是岩壁吊车梁的主要承重构件之一,锚杆布置如图1所示。锚杆的主要作用是限剪、限裂,限裂效果通过锚杆的被动受拉来保证,限剪效果通过锚杆的抗剪作用来保证。有限元计算和试验结果表明:上面2排的斜拉锚杆主要承受拉应力,下排受压锚杆则主要承受压应力;一般情况下,第1排斜拉锚杆拉应力较大,第2排斜拉锚杆拉应力较小。大量实际工程表明,开挖引起的

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