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岩锚吊车梁锚杆锚固长度的优化计算

作　者: 杨春鸣
导　师: 郑旭荣
学　校: 石河子大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 岩锚吊车梁锚杆锚固长度刚体平衡法有限元
分类号: TV314
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

岩锚吊车梁作为一种先进的结构形式,凭借其诸多优点在水电站地下厂房中得到广泛的应用。锚杆对于岩锚吊车梁的结构稳定发挥着重要作用,通过锚杆将钢筋混凝土吊车梁与围岩紧紧的联系在一起,组成稳定的锚固系统,来达到安全工作的目的。由于岩体的力学性质十分复杂,使得人们对锚杆锚固机理的了解还不够深入,岩锚吊车梁锚固计算的方法有待完善。目前所采用的常规方法为刚体平衡法,该方法思路清晰,受力模型简单,便于工程设计采用,但未能考虑到吊车梁与岩体之间的协调变形,无法考虑洞室开挖对结构的影响,因此,该方法需要进一步改进。对岩锚吊车梁进行数值计算,分别考虑到洞室的开挖和吊车荷载作用对锚杆受力的影响,可以更加准确的模拟结构的实际受力情况,使优化计算成为可能。本文对新疆下坂地水利枢纽工程地下厂房主洞室上游墙岩锚吊车梁上排受拉锚杆的锚固长度进行了计算分析。首先利用传统的刚体平衡法计算得出了锚杆锚固长度为9.0m,然后利用有限元分析软件对结构进行了数值模拟,在不同的锚杆锚固长度条件下建立有限元计算模型,锚杆锚固长度分别取为9.0m、8.5m、8.0m、7.5m、7.0m、6.5m、6.0m、5.5m。在不同的锚固长度情况下,考虑厂房下部的开挖和吊车轮压荷载的作用对结构的影响,得出了应力沿锚杆长度方向的变化规律、吊车梁顶部和底部的位移以及接触面上的应力分布情况。通过计算分析,得出了以下主要结论:1.在不同的锚固长度条件下,锚杆上的应力分布规律基本一致,应力值在靠近梁壁接触面的部位最大,并且,随着锚杆锚固长度的减小,锚杆单元的最大应力有向梁壁接触面接近的趋势,应力沿锚杆长度方向逐渐减小并趋于平稳;2.锚杆单元的最大应力、吊车梁顶部和底部的位移及接触面上的拉、压应力值都随着锚固长度的增加而减小,但这种减小的趋势随着锚固长度的增长而变得愈加不明显;3.整个结构受洞室开挖和吊车荷载作用的双重影响,在轮压作用前后,锚杆单元的应力变化较大,而吊车梁的位移及接触面的应力变化较小,轮压对结构的影响随锚杆锚固长度的减小而有变大的趋势;4.在计算所选取的8个锚固长度中,锚固长度减小至5.5m时,梁壁接触面顶部单元所受到的拉应力达到材料的抗拉强度,接触面有被拉坏的可能,当锚固长度增至6.0m时,整个结构处于稳定状态,最大应力值和最大变形值均小于结构安全所要求的允许值。因此,取锚固长度为6.0m作为优化计算的最后结果。在以上结论的基础上,将不同的计算方法得出的结果进行对比分析,出现差异主要是由于刚体平衡法在考虑洞室开挖以及吊车梁与岩体之间的粘结力与协调变形等方面存在缺陷,且安全系数的选取偏大,使计算结果偏安全,导致锚杆长度选取过大。因此,利用刚体平衡法初步确定吊车梁锚杆的参数,然后采用此参数对结构进行有限元模拟计算,来验证修改上述结果,两种方法相互对比进行计算,辅以现场施工量测作为验证手段,这样才能使计算结果更为准确,更加合理。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-22
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外的研究动态及发展趋势  11-20
    1.2.1 岩锚吊车梁结构稳定计算方法的研究现状  11-14
    1.2.2 锚杆锚固机理的研究现状  14-20
  1.3 本文的主要工作  20
  1.4 工程概况及基本资料  20-22
第二章岩土工程中的有限单元法基本原理  22-35
  2.1 线弹性有限元分析  22-24
  2.2 材料非线性有限元分析  24-28
    2.2.1 直接迭代法  24-25
    2.2.2 Newton-Raphson 方法  25-26
    2.2.3 修正的Newton-Raphson 方法  26-27
    2.2.4 增量法  27-28
  2.3 材料非线性的本构关系  28-31
    2.3.1 Mohr—Coulomb 屈服准则  29
    2.3.2 Druck—Prager（DP）材料模型  29-31
  2.4 锚杆单元的有限元模拟  31-34
  2.5 有限元软件的求解过程  34-35
第三章基于刚体平衡法的岩锚吊车梁锚杆锚固长度的计算  35-52
  3.1 刚体平衡法的计算原理及计算假定  35
  3.2 岩锚吊车梁的受力分析与计算荷载  35-37
    3.2.1 岩锚吊车梁的受力分析  35-36
    3.2.2 岩锚吊车梁计算荷载  36-37
  3.3 锚杆的内力计算  37-40
  3.4 校核验算  40-41
    3.4.1 接触面的抗滑稳定复核  40
    3.4.2 岩壁基座承载力验算  40-41
  3.5 锚杆锚固长度的计算  41-44
    3.5.1 锚杆面积的确定  41-42
    3.5.2 锚杆锚固长度L  42-44
  3.6 改进后的刚体平衡法  44-52
    3.6.1 计算的基本假定  44-45
    3.6.2 计算基本公式的建立  45-47
    3.6.3 锚杆轴力计算  47-48
    3.6.4 验算校核  48-49
    3.6.5 锚杆锚固长度的确定  49-52
第四章基于有限单元法的岩锚吊车梁锚杆锚固长度的分析  52-77
  4.1 计算模型的建立  52-56
    4.1.1 计算范围及尺寸  52
    4.1.2 计算参数及计算单元网格划分  52-53
    4.1.3 边界约束条件  53-56
  4.2 不同荷载作用下锚杆的内力分布  56-65
    4.2.1 初始应力场  56-57
    4.2.2 洞室开挖对锚杆内力的影响  57-62
    4.2.3 轮压荷载对锚杆内力的影响  62-65
  4.3 锚杆锚固长度对吊车梁整体结构的影响  65-71
    4.3.1 锚固长度对锚杆应力的影响  65-67
    4.3.2 锚固长度对梁壁接触面受力的影响  67-69
    4.3.3 锚固长度对吊车梁位移的影响  69-71
  4.4 锚杆锚固长度的确定  71-73
  4.5 与刚体平衡法计算结果的对比分析  73-77
    4.5.1 不同算法计算结果的比较  73-75
    4.5.2 计算结果差异产生的原因  75-77
第五章总结与展望  77-81
  5.1 全文总结  77-79
  5.2 展望  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
作者简介  86-87
石河子大学硕士研究生学位论文导师评阅表  87

岩锚吊车梁锚杆锚固长度的优化计算

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