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预应力锚索框架内力计算的有限差分法

2022-07-08 来源:小侦探旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第4期 2007年8月 北京交通大学学报 Vl01.31 No.4 Aug.2007 0I NA 0F BEUING JI A0T0NG UNIVERSITY 文章编号:1673—0291(2007)04—0022—04 预应力锚索框架内力计算的有限差分法 田亚护 ,刘建坤 ,张玉芳2 (1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.铁道科学研究院深圳分院,广东518034) 摘要:根据Winkler弹性地基模型,考虑在不同的锚固力、地基系数、抗弯刚度条件下,利用差分 法对锚索框架的内力计算公式进行了推导,并根据静力平衡和横梁与竖肋的变形协调进行锚索力 的分配,使计算结果更接近于实际情况.应用此方法对某工程实例进行计算,并把计算结果与现场 实测结果进行比较。证明此方法可行性和适用性. 关键词:Winkler假定;锚索框架;有限差分法;边坡 中图分类号:TU323.5 文献标志码:A Internal Force Calculation of Prestressed Anchor Cable Frame by Finite Difference Method TIAN Ya—hu ,LIUJian—kun ,ZHANG Yu-fang2 (1.School of Ci、,il Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Bdjing 100044,China; 2.Shenzhen Research Design Institute,China Academy of Railway ciSences,Guangdong 518034,China) Abstract:According to Winkler model,the formula of the intemal force calculation of prestressed an— chor cable frame with varied prestressing forces and foundation elastic modulus and lfexural rigiditis ies given by finite difference method,and the prestressing force are decomposed along the directions of longitudinal D ̄TIS and traverse ̄e.alTIS according to harmonious deformations nd satatic balance condi— tions in order that the calculation results are closer to the facts.An engineering case is calculated by this method,and the comparison between the calculation rsulets and data from field tests shows that this method iS more feasible and applicable. Key words:Winkler supposition;pre—stressed anchor ablce frame;finite difference method;slope 在山区道路建设中,预应力锚索框架是加固开 挖后难以自稳的高陡边坡的一种有效结构,它因具 有工期短、机械化程度较高、施工条件好、效果显著、 外形美观等优点,近年来得到了广泛应用.预应力锚 索框架是一种轻型的支挡结构,采用高强低松弛钢 构时一般都采用经验类比法来估算框架梁内力或者 按一般建筑基础的方法来计算框架梁内力.近年来 一些研究者提出了适合于简单边界条件框架内力计 算的反梁法[1]或Winkler弹性地基梁解析法L2-4J,对 于多根竖肋与横梁以及锚索力不相同的情况,则有 一绞线施加大吨位的锚索预应力辅以混凝土框架将预 应力传递分散至整个坡面,对坡体进行主动的加固, 改善了坡体岩土的应力状态,从而达到防治边坡病 害的作用.但是目前预应力锚索框架的内力计算还 没有公认的有效方法,许多设计部门在设计这种结 定的局限性;也有以竖肋与横梁间距作为差分网 格的差分法【5,但其精度不可能很高,51若在竖肋与 横梁节点间细分网格,则需添加较多的虚节点,求解 较困难.本文作者根据Winkler弹性地基假定,考虑 了多片框架梁及在不同的锚固力、地基系数、框架梁 收稿日期:2005—12—06;修回日期:2007—03—30 基金项目:云南省科技攻关资助项目(2001GG20) 作者简介:田亚护(1974一),男,陕西咸阳人,博士生.emaihtyh9905@sohu.COIn 刘建坤(1965一),男,山东临沂人,教授,博士,博士生导师. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 田亚护等:预应力锚索框架内力计算的有限差分法 研+2 m+l , 23 抗弯刚度的情况下,采用有限差分法对预应力锚索 框架梁内力进行计算的方法,并对计算结果与现场 实测结果进行了对比. 式中,Tn为梁的差分单 元节点编号;k 为梁在 节点Tn点处的地基系 数,x 为梁在Tn点处的 研.1 m一2 1锚索框架梁的有限差分法 1.1基本假定 位移;h为梁的单元长 度,m. …点 (1)采用Winkler假设,即框架梁上某点所受的 地基反力,只与该点梁的挠度成正比,而与梁上其它 因梁的始端(图1中 的。点)边界条件为自 各点的挠度无关. (2)锚索框架节点上的锚索力由竖肋与横梁共 同承受,其分配比例由竖肋与横梁在节点处的挠度 应相等这一条件来决定. (3)按假定(2)计算时,锚索框架节点处的地基 反力被重复考虑,为做到真正的力学平衡,计算中将 此块地基反力作为附加锚索力再参加分配. (4)不考虑框架本身的重量、顶梁、边坡对框架 顺坡面的摩擦力、锚索沿坡面方向的分力对框架梁 弯矩的影响. 1.2有限差分公式 预应力锚索框架如图1所示. 顶梁 (a)垂直坡面法向视图 (b)平行坡面侧向试图 图1预应力锚索框架 Fig.1 Prestressed anchor cableframe 将框架拆分成单根弹性地基上的梁,根据假设, winkler弹性地基梁上的挠曲微分方程为 1d EJ +Bkx=q(y) (1) ay 式中,E为梁的弹性模量,kN/m2;J为梁的截面惯 性矩,m4;B为梁的宽度,m;q(y)为梁上的分布荷 载,kN/m;X为梁的位移,m;k为梁下的地基系数, kPa/m. 在预应力锚索框架上,外荷载q(Y)=0,因此通 过有限差分法,以等分段将梁离散化,如图2所示. 由式(1)得Tn处的控制差分方程为 Fr }(xm一2—4xm一1+6xm一4xm+1+ ,£ X +2)+Bkmx =0 (2) 图2梁离散化示意图 由端,假设附加虚节点, Fig.2 Discretenodeofbeam 由梁的弯矩M在节点Tn =0处为0可得 ( 一2z + 。_0, 即x一1=2x0一X1 (3) 由梁自由端的剪力Q为0得 (一 z+2Xm-1--2 + z 。_0, 即x一2=2x一1—2z1+x2 (4) 在式(2)中,令Tn=0,得 X一2—4x一1+(6+K0Bh /(丘 ))z0—4z1+x2=0 (5) 将式(3)、式(4)代人式(5),得 (2+志0Bh /(EI))X0—4x1+2x2=0. 令 C0=2+koBh /(EI),口0=4/c0, bo=2/co,do=0. 贝0有X0=aox1一box2+d0 (6) 因此,对梁的任何节点Tn处,假定递推公式 fxm=口, m+1一 :m+2+dm X 一1=口 一1x 一bm-1x +1+d 一1 (7) lXm一2=口m一2xm一1一bm-2xm+dm一2 由式(3)得出 口一1=2,b-1=1,d一1=0. 把式(7)代人式(1)整理得 X =口, +1一 +2+d (8) 式中, fCm=口m一2am一1一bm-2一  l I4口 一1+kmBh /(EJ)+6 口 =(am-2b 一1—4b 一1+4)/c (9)  lb =1/c 【d =一[(口 一2—4)dm一1+dm-2/c 对于预应力锚索框架中的某一根竖肋或横梁, 由于梁下的地基系数可能不同,梁在框架节点处的 抗弯刚度与梁的其它各处可能不同,以及框架节点 处作用着锚索力,原有的递推公式中关于口 、b 、 维普资讯 http://www.cqvip.com 24 北京交通大学学报 第31卷 及d 的计算公式 n+2 +7不再有效.为仍能用追 n+1 赶法求解,将框架梁身 tl n十) 1 +4与节点分界处、节点中 n-2 n+3心处及地基分界面作 为分界面,在分界两侧 图3附加节点示意图 假设附加节点,如图3 Fig.3 Additional nodeof beam 所示.其中,/'/、/'/+5节 点处为分界面,/'/+1~/'/+4为附加节点,/'/一1、/'/ 一2为已知节点. 采用式(7)的递推形式,由分界点位移和转角连 续条件,可得到节点/'/+1和/'/+2的位移表达式 +1=(a —l一2) +5/b 一1+ +6/b 一1+d 一1/6 一1 (10) +2=[an(口 一1—2)一b 一1] +5/(bJ, ~1)+ 口 +6/(b.b 一1)+arfl 一1/( ~1)+d /b (11) 由分界点弯矩连续条件,得 (E,1/h )(.7C 一1~2 + +1)= (E,2/h )( +4~2x +5+ 十6)(12) 令EI2/(EI1)=a,则 +4 an+4x +5一bn+4X +6+d +4 (13) 其中, fa +4=2+(an-1—2)/(bn-1a) b +4=(1—1/b ~1)/a+1 (14) 【d +4=d l/(b.-1a) 由分界点剪力突变条件,得 (--Xn_2+2 一2 +2)= ( +3+2 +7)+ ) 式中,P 为锚索在此节点分配到横梁或竖肋上的锚 固力.则得出 +3一 +7=Rlx +5一Rzx +6+R3(16) 其中, R (2口 一2一b.-2)/a+(4a 一1—8)/( ~1a)~ [口 (口 一2—2)~b 一1]/(6 一1a)一4/a+4 an-2/a一4/(b ~1a)+an/(6 一1a)+4 2/a+4d.一l/( 一1a)一口 一1/( 一1 )一 d /(6 )+2h /(EI2 ) (17) 由式(1)得 (肼2/h )( +3—4x +4+6 +5—4 +6+ +7)+惫 +sBx +5=0 (18) 则可由式(18)、式(16)和式(13)联合得出 +5=an+5x +6—6 +5x +7+d +5 (19) 其中, fCn+5=R1—4口 +4+6+K +5Bh /(Elz) an+5=(R2—4b +4+4)/c +5 (20) 【6 +5=2/c +5,d +5=(4d +4一R3)/c +5 由式(9)、式(14)、式(17)和式(20),利用在分界面前 的递推公式系数a 一l、b 一l、d 一1及a b d 等即 可计算界面另一侧的递推公式系数a +4、b +4、 d +4及a +5、b +5、d +5等,从而使过界面以后的计 算得以继续进行,这样由梁的始端到末端利用追赶 法依次算出节点间递推系数和节点传递系数. 因锚索框架梁的终端边界条件亦为自由端,通 什2————— 过附加虚节点方法,根据 1——— 前面所递推得到的节点 —__=丁— 界面系数,并由梁终端£节点 t- 1—.21- 的弯矩和剪力为0的边界 的弯矩和剪力为 的边界 一 / 条件,可求解得到终端节 点的位移值 ¨.、一 u—L- £、~£1、 +】、_I、 图4梁终端附加节点 +2.然后自梁的末端到 Fig-4 Additional node at始端反方向依次算出各点 he end of he beam 的位移.节点编号t+1和 t+2为虚节点,如图4所示. 通过各单元上节点的位移,可以得到梁的任意 节点 处的土体对梁的反力q 剪力Q 与弯矩 .即 f =口 n+1—6 n+2+dn,q =一是 {I Fr (一 2+2 1—2x +Xn+2)(21) 1l M = Fr ( +1+ 一1一 ) 根据式(9)、式(14)、式(17)、式(20)和式(21),编制 了Visual Basic程序,计算流程如下:①输入计算参 数并划分单元;②把框架的锚索锚固力按一定比例 分配给通过该节点的竖肋与横梁上;③由梁的始端 到末端利用追赶法依次算出节点间递推系数和节点 传递系数,即横梁、竖肋上每个节点的系数口 b C 和d ;④自梁的末端到始端反方向依次算出各点 的位移;⑤比较横梁和竖肋相交处的节点位移,如不 相等则重新确定竖肋与横梁上锚固力分配比例,然 后回到第②步重新计算;如横梁和竖肋相交处的节 点位移相等则执行第⑥步;⑥计算横梁、竖肋上不同 节点处弯矩和剪力. 计算中横梁与竖肋相交处节点的地基反力被重 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 田亚护等:预应力锚索框架内力计算的有限差分法 ∞∞加0加∞∞鲫∞加∞ 复考虑,为做到真正的力学平衡,将此块地基反力作 为附加锚索力再参加分配,直至横梁和竖肋在相交 节点处的挠度均相等. 2工程实例分析 云南元(江)磨(江)高等级公路位于滇西峡谷 区,全线高度30 m以上的边坡达100多处,采用大 量的预应力锚索框架对其进行加固.现以其中某试 验工点预应力锚索框架加固高边坡为例,说明框架 的理论计算和测试的结果. 该工点地层主要由第四系残坡积层和砂质板岩 组成.残坡积层为棕红色碎石土,厚度1.0~4.0 m; 砂质板岩呈弱风化状态,棕褐色;坡体内存在多组陡、 缓倾向路线的构造面,潜在沿构造面向临空面滑动的 变形体.对此,变形破坏采用预应力锚索框架加固.试 验框架长8.5 m,高16.7 m,由3根竖肋和4根横梁 组成,框架梁截面为0.4 mX 0.5 m,坡率1:0.3.锚索 长18~24 m,水平间距2.8 m,竖向间距4.4 m,每束 锚索锚固力为350 kN.框架梁的弹性模量E取2 550 MPa,地基系数K取80 MPa/m. 采用编写程序计算框架横梁和竖肋理论弯矩, 与2003年6月现场实测的结果进行比较,见图5. 冒 囊 静 (a)竖肋理论弯矩与实测弯矩的比较图 40 20 菖0 -20 -40 静一60 —80 一l00 (b)横梁理论弯矩与买测弯矩的比较图 图5计算结果与实测结果比较 Fig.5 Comparison between calculated and tested bending momen ̄ 结果表明,横梁和竖肋实测的弯矩与理论计算 的弯矩除了在数值大小上有差异外,在发展趋势上 基本吻合,弯矩分布规律基本相同,实测弯矩的最大 值与计算值较接近.两者之间的差异与计算时地基 系数的选取有关系,实测值没有超过计算值的分布 范围,表明采用此差分法计算框架内力是可行的. 3结论及建议 (1)针对Winkler弹性地基模型,采用有限差分 法,可以提高预应力锚索框架的计算精度,计算预应 力锚索框架的内力与现场实测结果吻合较好,可满 足工程要求. (2)由于地基系数的准确选取直接影响计算精 度,因此在计算前应加强现场地质勘查工作. 参考文献: [1]王全才,李传珠,赵肃菖,等.黄土滑坡锚固技术研究 [J].铁道工程学报,1996,50(2):206—210. Wang Quan—cai,Li Chuan-zhu,Zhao Su-chang,et a1. Study on Reinforced Technique of Loessla Slope[J].Jour— hal of Railway Engineering Society,1996,50(2):206— 210.(in Chinese) [2]杨明,胡厚田,卢才金,等.路堑土质边坡加固中预应力 锚索框架的内力计算[J].岩石力学与工程学报,2002, 21(9):1383—1386. YangMign,FluHou-tina,LuC ̄-jin,eta1.Calculation of Internal Forces for Prestressed Anchor Cable Frame Used in Reinforced Road Cut Soil Slope[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerign,2002,21(9):1383— 1386.(in Chinese) [3]肖世国,周德培.岩石高边坡一种预应力锚索框架型地梁 的内力计算[J].岩土工程学报,2002,24(4) ̄479—482. Xiao Shi-guo,Zhou De-r ̄.A Cakn ̄latino Method for Internal Force of Prestressed Anchor-Rope and Frame Besm-on-Woun— datinoonHighRockSlopeEJ].Chinese J叫ma】of Geotechnical Engineering,2002,24(4):479—482.(inChinese) [4]许英姿,唐辉明.滑坡治理中预应力锚索格构梁受力分 析[J].安全与环境工程,2002,9(3):24—26. 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