新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝受力性能分析

新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝受力性能分析

1结构体系有限元模型中国是世界上泥石流分布最多、数量最多、破坏最大的国家之一。传统和新型拦挡坝设计时未充分考虑泥石流流速分布特征，均从增强防治结构本身的强度和刚度或改变防治结构空间形态的角度出发，提高防治结构的抗冲击性能，结构常处于被动受力状态，属于“硬抗”消能方式，会造成结构构件截面尺寸大，基础埋置深，经济浪费等问题。另外，坝体修建用料多且体积大，而山区工地现场受限严重，施工难度大，速度慢。为此，本文基于“柔性消能”理念，提出一种既能改善结构受力性能、增加结构整体抗冲击能力、保证结构安全可靠，又能减小结构构件截面尺寸、节约成本、便于现场施工组装和后期运营维护的新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝。阐述了其技术原理，给出相应的简化设计计算方法。利用SAP2000建立新结构有限元模型，分析结构的整体受力，验证构件简化计算方法的合理性，分析本文简化方法计算值和有限元计算值的误差。以期研究成果能为新结构的设计计算和推广应用提供理论依据和技术支持。2新土地锚张痉挛水库的提出和工作原则2.1结构的提出和结构2.2抗冲击力构件新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝是一种轻柔性防治结构体系，既能柔性消能，又能对泥石流进行拦挡疏通，其工作原理主要包括以下2个方面。(1）柔性消能。泥石流发生时，置于迎流面的张弦梁结构是主要的抗冲击力构件。当泥石流荷载作用于张弦梁上时，撑杆将泥石流荷载传递到张拉索使其绷紧，撑杆和张拉索作为弹性支撑，对张弦梁产生回拉，张弦梁对两端支座产生的水平推力由张拉索承受，改善了受力性能。泥石流冲击能量在张弦梁与张拉索的一张一拉间被消耗，实现了结构的柔性消能，减轻了结构的受力，保障了结构的安全。(2）拦排结合。张弦梁与竖杆形成的格栅可以有效的拦蓄泥石流中的大部分较大固体物质，排走较小物质，达到水石分离，减少下泄泥石流的密度、流量和规模，降低下游遭受泥石流危害的程度。3新加固张地梁泥石流格栅水库的简化计算3.1计算负荷的性能3.1.1主浆体动压式中：F3.1.2大石力式中：R为大块石半径，m;F为大块石冲击力，kN。3.2张弦梁与牛的连接新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝由竖杆、张弦梁结构、牛腿和立柱组成，并与竖向预应力锚杆和基础梁连接形成一个整体，共同承受泥石流冲击作用。竖杆与张弦梁通过螺栓连接，其主要作用是竖向约束张弦梁，防止其发生侧向失稳破坏，其他约束作用较小；张弦梁与牛腿通过滑移支座连接，牛腿的主要作用是承受张弦梁沿泥石流方向的支反力；立柱和底层竖杆固接于基础。因此，新结构的构造连接方式主要为铰接，传力作用明显而对各构件变形约束较弱。结构变形仅对底层张弦梁和竖杆受力有影响，其它构件较小。故为工程应用方便，结构设计时，对其进行合理的简化，分解为竖杆、张弦梁结构、牛腿、立柱、竖向预应力锚杆和基础梁分别进行计算。立柱、竖杆和张弦梁组成的迎流面格栅直接承受并分配泥石流荷载。迎流面格栅构件均承受泥石流浆体荷载，而大块石为随机荷载，需综合考虑各构件的尺寸和泥石流浆体荷载的空间分布特征，对迎流面格栅构件布置相应集中荷载。受力分析时只需按竖杆-张弦梁-牛腿-立柱-基础的传递路径来计算间接荷载和相应构件直接承受的荷载。3.2.1底层竖杆一次超静定结构(1）内力计算。底层竖杆底端现浇于基础梁内，顶端通过螺栓与张弦梁连接，故将底层竖杆简化为一端固接，另一端铰接的梁；其他层竖杆均通过螺栓与张弦梁连接，简化为简支梁，如图4和图5所示。底层竖杆属于一次超静定结构，将右端铰支座竖向反力视为多余力X式中：δ由基本方程求出多余未知力X式中：b为竖杆长度，m;x为竖杆任意截面距左端支座的距离，m。(2）截面设计。求得内力M3.2.2张弦梁结构分析(1）内力计算。张弦梁结构内力由两部分组成，一部分由初始张拉时预应力产生，另一部分由泥石流荷载产生。将两部分内力线性叠加，可得结构的内力。(1)初始张拉阶段内力求解。由文献式中：T初始张拉时张弦梁结构受力如图7所示，张弦梁内力为：式中：M张拉索索段张力分布特点如图8所示，由文献式中：α张弦梁结构曲线方程为：式中：z(2)泥石流荷载作用下张弦梁结构内力求解。泥石流荷载作用下张弦梁内力由两部分组成，一部分由荷载作用下张拉索索段张力产生；一部分由荷载本身产生。荷载作用下张拉索索段张力对张弦梁产生的内力：忽略撑杆作用和张拉索抗弯刚度，将张弦梁结构简化为一次超静定的两铰拱，如图9所示。张弦梁结构基本方程为：式中：E求出泥石流作用下张拉索跨中索段张力T后，将其代入式（9)—(11），可求出荷载作用下张拉索索段张力对张弦梁产生的内力。荷载本身对张弦梁产生的内力：将撑杆简化为弹性支座，刚度由撑杆相邻张拉索索段抗弯刚度提供，进而将张弦梁结构简化为多次超静定结构，如图10所示。简化后的张弦梁结构计算简图为多次超静定结构，取弹簧支座处释放的力矩X式中：δ由基本方程求出多余未知力X故弹性支座的刚度为：式中：a为撑杆水平间距；f(2）截面设计。求得内力M3.2.3立柱与地面相交处(1）内力计算。(1)牛腿。牛腿为异形牛腿，将其分为R部和U部，分别进行内力计算，如图12所示。R部：U部：式中：F(2)立柱。根据立柱约束条件将其简化为悬臂梁，悬臂梁底端为立柱与基础梁的交界面，如图13所示。求解立柱内力时，应考虑大块石冲击力F的作用位置和数量。式中：y(3)立柱埋深。立柱埋深如图14所示，由式（26)—(27）可求得立柱与地面相交处截面剪力V式中：V(2）截面设计。求得内力M3.2.4锚杆与锚固段砂浆的摩阻力及抗拔力(1）内力计算。竖向预应力锚杆受力如图15所示。对于锚固在完整硬质基岩中的锚杆，因岩层的强度一般大于砂浆的强度，即岩层与孔壁砂浆的摩阻力一般大于砂浆对锚杆的握裹应力，抗拔力取决于砂浆对锚杆的平均握裹应力。式中：F而对于锚固在风化岩层和土层中的锚杆，孔壁对砂浆的摩阻力一般低于砂浆对锚杆的平均握裹应力，抗拔力取决于锚固段周边砂浆与孔壁的平均抗剪强度。式中：D为锚杆钻孔直径，m；τ为锚固段周边砂浆与孔壁的平均抗剪强度，kPa。(2）截面设计。求得抗拔力F3.2.5次超静定梁(1）内力计算。基础梁与立柱现浇，故将其简化为两端固接的三次超静定梁，如图16所示。F将右端支座取掉，取基本结构为悬臂梁，则基础梁基本方程为：式中：E由基本方程求出多余未知力X(2）局部受压承载力计算式中：β(3）截面设计。求得内力M4工程计算的示例4.1项目总结某泥石流沟，100年一遇泥石流容重1.53g·cm4.2计算软件及分析(1）初设参数选取。拟建新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝跨度为10m，高度6m，竖杆水平间距1000mm，竖杆长800mm，外径300mm，厚度取10mm，立柱截面选用800mm×800mm，牛腿宽800mm，厚400mm，基础梁截面宽1000mm、高1500mm，设置4根竖向预应力锚杆，水平间距为2.5m。混凝土采用C35，钢筋采用HRB400级钢筋，钢材选用Q235，张弦梁结构矢高和垂度均取1m，张弦梁选用I56c号钢，张拉索采用高强预应力钢丝束∅5×301，撑杆9根，外径150mm，厚度取6mm。(2）计算软件开发及应用。为方便新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝的工程应用，基于结构内力计算理论，利用Python语言和QtDesigner软件，开发了界面友好、操作简单和实用的设计计算软件。(1)计算软件主界面和具体模块如图17和图18所示。(2)输入参数为泥石流荷载，如图19所示。结果输出为构件的内力，如图20所示。(3）结果分析。(1)荷载计算。由式（1）和式（2）求得泥石流冲击力，结果见表2。(2)竖杆验算。竖杆较短，假设只承受一个大块石冲击力，浆体动压力满跨分布。利用软件求得其最不利内力，并验算强度，结果见表3。(3)张弦梁结构验算。根据泥石流流速分布特点，假设张弦梁结构在跨中和跨中左右各2m处承受大块石冲击力。由式（21）和式（22）求得张拉索抗弯刚度，利用软件求得初始张拉阶段和施加荷载阶段张弦梁的最不利内力，结果见表4。由表4可得，张拉索轴向最大拉应力为193.5kN，小于其强度设计值1110MPa。求得张弦梁最不利内力后，验算其强度，结果见表5。(4)牛腿和立柱设计。利用软件求得牛腿R部与U部的内力，并计算其截面配筋，结果见表6。假设立柱在1/4和1/2处承受大块石冲击力，利用软件求得立柱最不利内力和埋深，并计算配筋，结果见表7。(5)竖向预应力锚杆设计。泥石流荷载竖向分力远远小于预应力，故竖向预应力锚杆抗拔力满足预应力即可。预应力取锚杆钢筋屈服强度标准值的50%，利用式（30）求得竖向预应力锚杆抗拔力，并根据规范(6)基础梁设计。利用软件求得基础梁内力，并计算配筋，结果见表9。由表3可知，竖杆正应力为7.8N/mm4.3有限模拟验证4.3.1变形协调对底层张弦梁和撑杆受力影响为更直观的了解新结构各构件间的相互作用和荷载分配传递规律，模拟结构在泥石流荷载作用下的整体受力，采用SAP2000软件建立了新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝有限元模型（见图21）。新结构有限元模型由空间梁单元和索单元组成，二者均可在FrameElement模块中实现。构件采用框架截面和索截面，并根据算例中的截面尺寸进行参数定义。新结构立柱和底层竖杆与基础梁现浇，故将二者与基础的连接定义为固定支座；竖杆和张弦梁螺栓连接，张弦梁两端通过滑移支座与牛腿连接，撑杆通过销轴节点和索球节点分别与张弦梁和张拉索连接。将竖杆与张弦梁、张弦梁与牛腿、撑杆与张弦梁和张拉索的连接定义为铰接，并对端部进行扭矩和弯矩（T、M由图22—24可知，第5榀和第4榀张弦梁受力基本一致，张弦梁轴力、剪力和弯矩最值分别为-199.5kN、-106.78kN和85.67kN·m，第2榀和第3榀最值分别为8.29kN、2.14kN和0kN·m，远小于第4榀和第5榀，而第1榀张弦梁最值为47.96kN、34.27kN和-22.53kN·m。可见张弦梁受力相互影响较弱，底层竖杆与基础的固接，导致变形协调仅对第1榀张弦梁受力有一定影响。由图25可知，荷载作用下，仅第5层和第1层竖杆产生内力，第5层竖杆弯矩和剪力最值分别为-18kN·m和60kN，第1层竖杆为20.17kN·m和25.21kN。这表明变形协调对底层竖杆受力影响较大，对相邻竖杆受力无影响。综上，可见变形协调仅对底层张弦梁和竖杆受力有一定影响，其余构件间受力相互影响较弱。因此，理论分析时将新结构简化为竖杆、张弦梁结构、牛腿、立柱、竖向预应力锚杆和基础梁分别计算是比较合理的。4.3.2变形协调对底层竖杆内力的放大作用为验证本文构件简化计算方法的正确性，基于工程算例，将各构件的简化方法计算值与有限元计算值进行对比分析，见图26—30和表10。由图26可知，2—5层竖杆弯矩有限元计算值与本文简化方法计算值基本一致，相差很小。底层竖杆弯矩和剪力最值分别为-142.91kN·m和227.57kN，均比简化方法计算值大。因此新结构在设计计算时，应注意变形协调对底层竖杆内力的放大作用。由图27—29可知，2—5榀张弦梁内力变化趋势基本一致，其轴力、剪力和弯矩最值分别为539.01kN、179kN和-167.88kN·m，与简化方法计算值的误差分别为14%、23%和4.5%。第1榀张弦梁内力与其它榀差异较大，轴力和剪力分别为65.31kN和112.11kN，均小于简化方法计算值；但弯矩为-277.1kN·m，大于简化方法计算值。主要原因是变形协调导致第1榀张弦梁受拉，产生负弯矩，而预应力也使之产生负弯矩，二者叠加使第1榀张弦梁弯矩大于其它榀。由图30可知张拉索最大拉力为564.49kN，与简化方法计算值误差为23%。由表10可知牛腿的剪力和弯矩本文简化方法计算值与有限元计算值之间的误差为5.4%和5.1%；立柱的误差为7%和6.7%。5新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝结构计算(1）基于“柔性消能”理念，结合张弦梁结构和竖向预应力锚杆技术，克服传统防治结构截面尺寸大、深埋和不经济等问题，改善被动受力的状态，提出一种新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝。该结构既可改善结构受力性能、增加结构整体抗冲击能力、保证结构安全可靠，又能减小结构构件截面尺寸、节约成本、便于现场施工组装和后期运营维护，设计理念新颖、技术先进可行、工艺简单，是一种轻柔性防治结构，具有较好的应用前景。(2）根据泥石流荷载分布和结构受力特征，给出了新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝各构件简化的内力计算公式。基于结构内力计算方法，利用Python语言和QtDesigner软件，开发了界面友好、操作简单和实用的设计计算软件。(3）结合算例，对新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝进行了内力求解。结果表明：竖杆易发生剪切脆性破坏；立柱内力最大，破坏将危及整个结构的安全，后果严重。可在实际工程应用中借鉴抗震设计中的“强柱弱梁”概念，考虑承载力储备，保证结构的安全性。(4）利用SAP2000建立了新型地锚张弦梁式泥石流格栅坝有限元模型，分析了结构的整体受力。验证了构件简化计算方法的合理性和本文方法计算值的正确性。结果表明变形