基于接觸摩擦理論的巖壁吊車梁錨固設(shè)計

于 沖，楊社亞，張 睿，石廣斌，郝春游，徐 明，馮 飛

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710065；2.中國水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450001； 3.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 前 言

KSEP水電工程位于非洲贊比亞和津巴布韋界河——贊比西河的卡里巴峽谷段，北岸為贊比亞，南岸為津巴布韋，原裝機容量750 MW。擴機工程裝機兩臺，單機容量150 MW，總裝機容量300 MW，為津巴布韋獨立以來的最大工程。擴機工程由右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)、母線豎井、地面主變平臺、地面電抗器平臺、開敞式地面開關(guān)站等組成。2018年3月28日，津巴布韋總統(tǒng)埃默森·姆南加古瓦親臨擴機工程竣工儀式，為電站揭牌剪彩。KSEP水電站主廠房地質(zhì)條件較好，地下洞室基本均為Ⅱ類圍巖。

目前，巖壁吊車梁設(shè)計主要采用剛體極限平衡法、現(xiàn)場模型試驗和現(xiàn)場量測、計算機數(shù)值仿真計算法等。傳統(tǒng)的剛體極限平衡計算方法通常基于巖臺地基反力基本按三角形分布、地基反力的合力通過巖臺上某點、巖臺下部錨桿與巖臺面交點為力矩中心點等假定，并不能真實地反映巖壁吊車梁真實的受力機理和工作狀態(tài)[1-6]?，F(xiàn)場模型試驗和現(xiàn)場量測費時、費力，且費用較大，國內(nèi)僅在小灣水電站工程中進行了1 ∶1的模型試驗[7]。以有限元為代表的數(shù)值計算方法及其軟件的興起和成熟，為巖壁吊車梁的設(shè)計提供了新的方法和手段。本文采用非線性有限單元法，精細模擬圍巖、梁體、錨桿以及巖壁吊車梁與巖體的接觸面，對巖壁吊車梁的受力特性進行了系統(tǒng)的計算分析。

1 巖壁吊車梁設(shè)計

巖壁吊車梁斷面體型見圖1，錨固設(shè)計見圖2。梁體設(shè)計斷面為2.0 m×2.9 m(寬×高)；錨固方案為：梁體上部二排錨桿為450 MPa級 T32鋼筋，間距90 cm，入巖L=7.0 m，水平傾角20°和25°，巖臺下部一排錨桿為450 MPa級 T32鋼筋，間距90 cm，入巖L=4.8 m。

圖1 巖壁吊車梁體型(比例尺 1 ∶20)

2 巖壁吊車梁有限元分析

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

巖體及支護材料物理力學(xué)參數(shù)如表1、2所示。巖壁吊車梁與巖壁接觸面分別按純摩(黏聚力C=0，摩擦系數(shù)f=0.65)和混凝土/巖抗剪斷(C′=1.1/2=0.55 MPa，f′=1.1/1.7=0.647)。

表 1 地下廠房區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 工況及載荷

(1)工況1(完建期工況)：只計巖壁吊車梁自重。

(2)工況2：運行期工況。

荷載組合：運行期荷載=吊車豎向輪壓+吊車橫向水平荷載+吊車梁自重荷載。

地下主廠房安裝2臺套250 t/50 t-21.7 m(分別為主鉤、副鉤及跨度)橋式起重機，橋機大車單個最大輪壓為400 kN。由于吊車橫向水平荷載有兩個方向，本文選取最不利的工況進行計算，即橫向水平荷載指向廠房內(nèi)。

2.3 有限元計算模型

將巖壁吊車梁簡化為平面應(yīng)變問題進行分析，假定圍巖和梁體為線彈性材料，研究在運行期吊車輪壓、吊車橫向水平荷載和吊車梁自重(含二期混凝土自重)、軌道及附件重等作用下巖壁吊車梁的變位、應(yīng)力變化規(guī)律和錨桿的內(nèi)力變化規(guī)律。

巖壁吊車梁二維有限元計算模型坐標系取水平方向為X軸，垂直向上為Y軸。巖體采用平面四邊形8結(jié)點等參單元(PLANE82單元)，錨桿采用桿單元(LINK1單元)，巖壁吊車梁與圍巖接觸面采用接觸單元(TARGE169、CONTA172)進行模擬。有限元模型邊界條件：上部、下部和左側(cè)邊界施加固端約束，有限元模型見圖3。

圖3 巖壁吊車梁有限元計算模型

2.4 有限元計算結(jié)果

本節(jié)巖壁吊車梁錨固及結(jié)構(gòu)有限元計算，綜合考慮了梁體和圍巖的相互接觸和共同受力，更能真實地反映巖壁吊車梁的受力狀態(tài)[8-11]。有限元計算得到的運行期上部二排錨桿、巖臺下部錨桿的應(yīng)力，不包括地下廠房施工期開挖、因圍巖變位作用而賦存于錨桿中的應(yīng)力，這部分應(yīng)力可以通過結(jié)構(gòu)系數(shù)γd和巖壁吊車梁監(jiān)測資料綜合考慮。

圖4～7分別顯示了完建期、運行期巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力分布，從錨桿應(yīng)力圖中可以看出上部第1排錨桿的拉力大于第2排錨桿的拉力。表3列出了不同荷載工況下上部兩排錨桿的應(yīng)力極值。采用純摩參數(shù)，在運行期上部第1排錨桿的拉應(yīng)力為158.666 MPa，第2排錨桿的拉應(yīng)力為144.306 MPa；采用抗剪斷參數(shù)，在運行期上部第1排錨桿的拉應(yīng)力為92.835 MPa，第2排錨桿的拉應(yīng)力為70.284 MPa。錨桿應(yīng)力均小于錨桿360 MPa的強度設(shè)計值，且有一定的安全裕度。

圖8～19分別顯示了完建期、運行期巖壁吊車梁與巖臺接觸面上的應(yīng)力分布情況。從圖中可以分析出，運行期在巖壁吊車梁自重、豎向吊車輪壓荷載、橫向水平荷載等荷載的共同作用下，巖壁吊車梁將向廠房內(nèi)側(cè)變形，巖壁吊車梁與圍巖的后緣接觸面的正應(yīng)力很小。采用純摩參數(shù)，接觸面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力主要分布在巖臺斜面；采用抗剪斷參數(shù)接觸面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力主要集中在巖壁吊車梁下部錨桿與巖壁的交點至巖臺下角點之間的范圍內(nèi)。

由有限元的計算結(jié)果得到：采用純摩參數(shù)，巖壁吊車梁的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.0；采用抗剪斷參數(shù)，巖壁吊車梁的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1。巖壁吊車梁是穩(wěn)定的。

圖4 完建期巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力分布，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖5完建期巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力分布，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖6 運行期巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力分布，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖7運行期巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力分布，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖8 完建期巖壁吊車梁與巖臺接觸面正應(yīng)力，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖9完建期巖壁吊車梁與巖臺接觸面剪應(yīng)力，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖10 完建期巖壁吊車梁與巖臺接觸面正應(yīng)力，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖11完建期巖壁吊車梁與巖臺接觸面剪應(yīng)力，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖12 運行期巖壁吊車梁與巖臺接觸面正應(yīng)力，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖13運行期巖壁吊車梁與巖臺接觸面剪應(yīng)力，純摩參數(shù)(單位：kPa)

圖14 運行期巖壁吊車梁與巖臺接觸面正應(yīng)力，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖15運行期巖壁吊車梁與巖臺接觸面剪應(yīng)力，抗剪斷參數(shù)(單位：kPa)

圖16完建期巖壁吊車梁位移，純摩參數(shù)(單位：m)

圖17運行期巖壁吊車梁位移，純摩參數(shù)(單位：m)

圖18完建期巖壁吊車梁位移，抗剪斷參數(shù)(單位：m)

圖19運行期巖壁吊車梁位移，抗剪斷參數(shù)(單位：m)

3 結(jié) 語

(1)基于接觸摩擦理論，采用ANSYS軟件對KSEP水電站巖壁吊車梁錨固結(jié)構(gòu)進行了精細的有限元分析，計算得到的巖壁吊車梁上部兩排受拉錨桿的抗拉承載力以及梁體的抗滑穩(wěn)定均滿足要求，且有一定的安全裕度。

(2)采用接觸界面單元模擬滑動面，錨桿單元模擬巖壁梁上部二排錨桿、巖臺下部錨桿，并且按照真實的橋機輪壓施加荷載，較好地模擬了各種荷載工況下錨桿的受力狀況及梁體與圍巖的摩擦、滑動狀態(tài)，可準確分析出不同工況下錨桿的內(nèi)力、應(yīng)力和滑動面的應(yīng)力分布狀態(tài)與安全性態(tài)，避免了傳統(tǒng)“剛體極限平衡法”的各種假定，能更真實、全面反映巖壁吊車梁的工作性態(tài)及支護機理，對其他工程的巖壁吊車梁的穩(wěn)定性分析、支護設(shè)計有較好的借鑒和指導(dǎo)作用。