高速鐵路預應力錨索框架梁的設計與分析畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 法來分析邊坡的變形和穩定性已成為可能。因此有限元法也被廣泛應用于邊坡穩定分析。然而有限元方法也擁有一些局限性，主要是在確定邊坡的初始應力狀態把握邊坡臨近破壞時的彈塑性本構關系等方面遇到的難題。這里主要介紹一下極限平衡法在工程中的運用，根據邊坡失穩時破裂面的形狀又可分為：直線破裂面和圓弧狀破裂面。 直線破裂面邊坡穩定性分析直線破裂面是指邊坡破壞時其破裂面近似為平面，斷面近似為直線，這種情形通常發生在均質砂土、透水的砂石邊坡中。，坡體重，坡角，抗剪強度指標為、破裂面傾角為，滑面長度，沿邊坡長度方向取單位長度作為平面分析。 砂性邊坡示意圖滑面上由重力產生的下滑力和土的抗剪強度產生的抗滑力分別為：則邊坡穩定系數或安全系數，可用抗滑力與下滑力之比表示，即 （）為了保證邊坡的穩定性。對于的砂性土坡，公式又可以簡化為 （）從上式我們可以看出，當時，值最小，此時邊坡表面土體最容易發生滑動，有 （） 圓弧破裂面邊坡穩定性分析據大量觀測表明，黏性土山坡、人工填筑或開挖的邊坡在發生破壞時，其破裂面多呈圓弧狀，由于黏性土黏聚力的存在，黏性土邊坡在破壞時，滑動面近似于圓柱面。工程中為了簡化計算，通常假定滑動面為圓弧面，建立在這一假定上的土的穩定性分析方法叫做圓弧滑動法。其中，最為常用的就是瑞典條分法。條分法是將滑動土體在豎向分為若干土條，將土條視為剛塑體，分別求得作用于各個土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，由抗滑力矩與滑動力矩之比求得安全系數。條分法假定不計條間力的影響，將土條兩側的條間力的合力看做大小相等、方向相反、作用在同一直線上。實際上，每個土條兩側的條間力是不平衡的，但經驗表明，忽略條間力的作用對計算結果影響不大。，將土體分為若干土條，土條的寬度越小，計算精度就越高，盡量選擇滑體外形變化點和土層分界點作用界限。 瑞典條分法則垂直于滑面法向的分力與沿著滑面的切向分力分別為：，其中起抗滑作用的切向分力用表示，則整個滑弧上的抗滑力矩與滑動力矩分別為：安全系數為抗滑力矩與滑動力矩之比，即 （） 剩余下滑力的計算目前，計算滑坡剩余下滑力的方法比較多，使用較多的有瑞典條分法、畢肖普法、傳遞系數法、分塊極限平衡法等，其中傳遞系數法是驗算山區土層沿巖面滑動最常用的邊坡穩定驗算方法，本次設計即采用傳遞系數法進行邊坡剩余下滑力進行計算。計算推力時假定：滑坡體是不可壓縮的介質，不考慮滑體的局部壓縮變形，塊體間只傳遞推力而不傳遞拉力。塊間作用力（即推力）以集中力表示，它的作用線平行于前一滑塊的滑動方向。計算時將滑體沿滑面變坡點垂直分塊，然后由上至下逐塊計算推力。在滑體中取第塊土條，假定第塊土條傳來的推力方向平行于第塊土條的底滑面，而第塊土條傳遞給第塊土條的推力平行于第塊土條的底滑面。也就是說，假定每一分界面上推力的方向平行于上一土條的底滑面。將各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下： 傳遞系數法 （）式中 ，為法向反力；——第塊滑體剩余下滑力；——第塊滑體剩余下滑力；——第塊滑體的自重；——第塊滑床反力；——第塊滑塊的法向反力；——第塊滑體滑面的傾角；、——第塊滑體滑面的抗剪強度指標；——邊坡穩定安全系數；——第塊滑體的滑面長度；，稱為傳遞系數。通常情況下，在鐵路支擋規范中，出于安全考慮，要通過增大下滑力來提高安全系數，考慮安全系數后，設計推力應為： （）（1）若為正值，說明邊坡具有下滑力，是不穩定的，應該傳遞給下一個滑體；若為負值，說明第塊滑體是穩定的，不能傳遞，下一塊計算時按無上一塊推力考慮。（2）如果計算斷面中有逆坡時，即滑面傾角為負值的時候，分塊為負值，即它不再是下滑力，而是抗滑力了。推力計算時，就不該乘以安全系數。 預應力錨索框架梁的結構組成預應力錨索框架梁是20世紀90年代新興的一種支擋結構，被廣泛運用于鐵路、公路滑坡治理和邊坡加固中。該結構是將鋼筋混凝土框架和預應力錨索這兩種可以單獨使用的結構組合在一起，通過預應力錨索、框架和邊坡巖土的相互作用，共同承受邊坡變形時產生的外力。預應力錨索框架梁的組成主要由主體結構和附屬結構兩個部分。其中，主體結構是承受邊坡變形產生的外力的主要受力構件，主要由預應力錨索、框架和邊坡巖土共同組成；附屬結構是指為保證主體結構正常工作、發揮主要功能的一些附屬設施，其中包括為了保證土體穩定和綠化美化而設置的植被防護結構，排水設施，以及為了保證梁頂平臺穩定的頂梁。這些結構對主體結構長久發揮穩定性有著重要的作用。 作用機理由土體極限平衡理論得知，邊坡變形后邊坡變形部分在重力作用下，會沿著破裂面向下成滑動趨勢。而在破裂面上存在著阻止變形體下滑的抗力和法向力，如果變形體在自重作用下的下滑力大于抗力時，變形體就會沿著破裂面向下滑動，此時邊坡就會發生失穩破壞。預應力錨索框架的作用機理就是在此基礎上通過錨索拉力共同作用在框架梁上，與破裂面上的摩擦力和法向力共同作用，平衡邊坡下滑產生的下滑力。，預應力錨索主要是承受邊坡下滑產生的下滑力，而框架梁則是使變形體保持整體穩定性。 變形體的受力示意圖預應力錨索產生的錨固力主要是使破裂面上的法向力增加，從而使得破裂面上的摩擦力增大，相當于增大了抗滑力。另一方面，框架梁的緊箍作用，使得變形體變得更加固結、穩定，相當于減小了下滑力。 結構特點預應力錨索框架梁在工程中得到了廣泛的應用，自然跟其自身的特點密不可分，其特點主要有：（1）預應力錨索框架梁體系充分利用了邊坡巖體自身的強度；（2）結構容易和其他抗滑結構如抗滑樁等組合使用；（3）結構布置位置靈活，不受地形的限制，適用于高陡邊坡的加固；（4）易于改善邊坡土體的受力狀態，使邊坡土體趨向處于三向受力狀態；（5）減少邊坡開挖量，有效降低了邊坡的開挖高度；（6）施工簡便，技術風險較低；（7）結構輕便，施工速度較快，施工造價低。 預應力錨索的設計預應力錨索的設計包括邊坡錨固力的確定、錨固力的分配、錨索間距和傾角的確定、錨固段長度的確定。要使預應力錨索框架梁發揮作用，必須將預應力錨索錨固在穩定的地層中，其次還要保證結構的整體穩定性。 總錨固力的確定預應力錨索設計時，對于滑坡加固，宜采用錨索預應力（抗滑力）的方法計算，通過邊坡穩定性分析、計算滑坡的下滑力從而確定錨固力。對邊坡進行穩定性計算的時候，錨固力可以簡化為作用于坡面上的一個集中力，由《鐵路路基支擋結構設計規范》確定的方法計算可按下式： 錨固力的簡化計算 （）式中 ——滑坡下滑力（kN）；——設計總錨固力（kN）；——滑動面內摩擦角（176。）；——錨索與滑動面相交處滑動面傾角（176。）；——錨索與水平面的夾角。對單一滑面，式（）計算比較簡單，對于折線滑面，計算比較繁雜。實際上，路塹邊坡的水平推力對邊坡才具有破壞作用，豎向推力對路塹邊坡的破壞作用很小，故錨索設計錨固力可以簡化計算： （）式中 為邊坡下滑力的水平分量，為錨索與水平面的夾角。 錨固力分配原則為了簡化計算，需要明確總錨固力是如何分配到各級預應力錨索框架梁上，同時錨固力是如何分配到每一根錨索上的，分配原則如下：（1）根據現場試驗的規律，單根錨索的加載對于同一框架上的其他錨索的拉力的影響極小。因此，可以做出結論：作用在同一框架上的總錨固力可以近似的平均分配到各個節點上的預應力錨索上。（2）同一變形體上的總錨固力是平均分配到各級邊坡預應力錨索上的。（3）同一孔位下的錨固力是平均分配到該孔位下每根預應力錨索上的。 錨索間距與傾角的確定錨索間距的確定應當以設計的錨固力能對地基提供最大的張拉力為標準，預應力錨索存在群錨機制，錨索間距過大時，起不到安全錨固的作用。但如果錨索間距過小時，受群錨機制的影響，單根錨索的承載力會降低。根據長期施工經驗。設計時還應該考慮施工偏差而造成錨索的相互影響。因此規范規定錨索間距宜采用3～6m,。預應力錨索與水平面的夾角稱為錨固角，從施工工藝方面考慮，認為錨索設置方向以水平向下傾為宜。通過技術經濟的綜合分析，按照單位長度錨索能夠提供抗滑增量最大時的錨索下傾角為最優錨固角。另一種方法按以下經驗公式計算最優錨固角： （）規范規定錨索設計下傾角為15176。～30176。 錨固體的設計對于拉力型錨索，錨索的錨固段長度取值一般在4～10m間。通過大量試驗研究數據，錨固段必須置于良好的地基之中。拉力型錨索錨固段的破壞通常是從靠近自由段處開始的，灌漿材料與地基之間的黏結力逐漸被剪切破壞。當錨固段的長度超過8～10m后，錨固力的增量很小，幾乎不可能提高錨固效果。當錨固段的計算長度超過10m時，通常采用增大孔徑或減小錨索的間距或增加錨索孔數等來調節。錨索的錨固段長度采用計算值、中的大值。（1）按水泥砂漿與錨索張拉鋼材黏結強度確定錨固段長度，即 （）當錨索錨固段為棗核狀時， （）（2）按錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨固段長度，即 （）式中 ——錨固體拉拔安全系數，對于臨時性錨固采用，永久性錨固采用；——單孔錨固力設計值；——張拉鋼材外表直徑（m）；——單根張拉鋼材直徑（m）；——錨固體（即鉆孔）直徑（m）；——錨索張拉鋼材與水泥砂漿的極限黏結應力，按砂漿標準抗壓強度的10%取值（kPa）；——錨孔壁對砂漿的極限剪應力（kPa）。 框架梁的設計目前，計算預應力錨索框架梁的設計理論和設計方法都在不斷的完善和成熟的過程中，結構受力模型主要有：（1）彈性地基框架梁結構模型，此方法主要是基于彈性地基梁的假設，將框架梁下的土體視為彈性地基，將錨索力視為是作用在框架梁的集中力來計算。實際計算時，通常考慮框架本身的對稱性，對框架梁進行簡化，根據梁的節點力的平衡、連續條件、邊界條件等建立方程組，解得作用于橫梁和縱肋上的力。（2）剛性支座連續梁模型，該方法是假設框架梁縱肋和梁底的接觸應力，把預應力錨索作用點視為剛性支座，按照連續梁進行設計計算。本次計算主要采用彈性地基梁模型，下面主要介紹其方法。 節點荷載的分配原則為了簡化計算，由基礎工程相關知識，當節點間距較大時，不考慮荷載的相互作用。此時，橫梁和縱肋應該滿足靜力平衡條件和變形協調條件，用公式表達為： （） （）式中 ——橫梁和縱肋節點處的豎向荷載；——方向（橫梁）分擔節點處的豎向荷載；——方向（縱肋）分擔節點處的豎向荷載；——節點處在作用下方向的產生的豎向變形；——節點處在作用下方向的產生的豎向變形； 節點荷載的分配方法（1）內柱節點，當節點間距較大時，可以將橫梁和縱肋看做是受單個集中力作用的無限長梁，由（）得： （）聯立（）和（），求解得： （） （）式中 ——地基土的基床系數；、——、方向梁的寬度；、——、方向梁的特征長度，、。（2）邊柱節點，在方向將梁視為無限長梁，方向將梁視為半無限長梁。由（）得： （）聯立（）和（），解得： （） （）（3）角柱節點，在、方向都將梁視為半無限長梁，由（）得： （）聯立（）和（），解得： （） （）當角柱節點在兩個方向的梁均無外伸時。 鋼筋混凝土設計原理根據作用在框架梁上的內力，可以對混凝土構件進行配筋計算。從《鋼筋混凝土設計原理》中，我們可以知道鋼筋混凝土受彎構件正截面破壞形式主要有：（1）少筋梁破壞，縱向受力鋼筋配置過少，受拉區混凝土開裂后，受拉鋼筋的應力突然增大，當應力增加超過鋼筋的屈服強度時，鋼筋會屈服發生破壞。而這種破壞是突然的，屬于脆性破壞，工程中應該盡量避免。（2）超筋梁破壞，與少筋梁相反，超筋梁是縱向受拉鋼筋配置過多，受拉區混凝土開裂后，應力由鋼筋來承受。隨著應力的增大，鋼筋應力也增大，但受壓區混凝土應力也隨著增大。受壓區混凝土首先被壓壞，而此時，鋼筋尚未屈服。由于混凝土石脆性材料，破壞時沒有明顯預兆，屬于脆性破壞。（3）適筋梁破壞，縱向受拉鋼筋配置適量，受拉區混凝土開裂后，應力由鋼筋來承受。隨著應力的增大，鋼筋應力也增大，直到鋼筋首先發生屈服。此時裂縫寬度增大、撓度增加，而混凝土尚未發生破壞。這種破壞具有明顯的預兆，破壞不突然，屬于塑性破壞。 單筋矩形截面梁抗彎設計，對于單筋矩形截面梁可以進行計算簡化，由此便可以建立平衡方程，如下： 單筋矩形截面梁計算簡圖 ， （） ， （）或 （）式中 ——計算截面上