錨拉結構的自保護自適應裝置

1高邊坡支護時長近年來，土木工程邊坡加固技術得到了廣泛應用，成為一種通用技術。它面臨的情況是:邊坡越來越高,地質條件越來越復雜,建筑環境越來越差,支護應力越來越大。例如:三峽工程船閘高邊坡已高達120m;距上部房屋邊距2m的垂直切坡已達30m以上(重慶某邊坡)。這些邊坡支護難度很大,安全要求也很高。但是,由于地質條件的復雜性及設計,施工的不成熟等條件的影響,工程事故時有發生。為了彌補設計,施工技術上的不成熟,防止復雜地質條件下設計的估計不足,人們一直在尋找保證安全的措施。因此,已有文獻提出結構的自保護、自適應的概念。本文提出了一種錨拉結構的自保護、自適應裝置,并介紹其初步實驗結果,旨在提高錨拉機構的“免役能力”,為自保護、自適應設計方法打下基礎。2錨拉構件的破壞機理錨拉結構自保護、自適應的概念雖然最近才提出,但實際工程中早已有相關原理的應用例子。例如,在樁錨結構中,使用具有相當剛度的橫梁(蓋梁),將樁在橫向聯系在一起,使單樁可將超載部分傳給相鄰的樁,防止局部變形不均勻引起的單樁破壞。這種結構顯然是考慮了單樁的自保護,加強了結構的體系作用,它的特點是必須有相當剛度的橫向聯系梁。這種聯系梁通常只設在樁頂,因為在挖方工程中,下部橫梁在施工和使用中一般不易實現。此外,這種結構不能對整個體系進行自保護,一旦變形過大,錨結構部分(錨桿或錨索)會破壞,使體系失效。本文提出的自保護裝置與以上體系不同,它是設置在錨拉桿件(錨桿或錨索)上的一個塑性變形發生器。塑性變形是由該發生器產生的,與錨拉桿件無關,因此不會導致桿件以及錨具破壞。從原理上看,這種塑性變形可根據設計要求達到任意值。這種裝置的力學模型就是一個摩擦元件(見圖1a)。它的受力——位移曲線是典型的彈塑性曲線(見圖1b)。其荷載——位移表達式見(1)式。P={KδP＜PuPuP≥Pu(1)Ρ={ΚδΡ＜ΡuΡuΡ≥Ρu(1)當錨拉桿件上的荷載小于設計的荷載時,裝置發生彈性位移,通常彈性位移很小,對于工程而言可不計。當錨拉桿件上的力大于等于設計荷載時,裝置發生塑性位移,使錨拉桿件上荷載永遠不超過設計允許的荷載。對于邊坡工程而言,一旦某一根樁(或柱)產生位移時,可將坡體應力釋放,或轉移給相鄰的樁,在變形不均的邊坡中,最大變形處的錨拉桿件容易首先破壞,一旦破壞,推力將全部傳給相鄰的樁,致使鄰樁超載破壞,從而引起整體結構破壞,正所謂的“多米諾骨牌”效應,如果使用塑性變形發生器,則不會發生任一根錨拉桿件破壞,使整個體系受力逐步均勻化。從總體上看,一般總的邊坡下滑力與支擋力在設計上是平衡的,不會發生破壞,否則設計失效。從另一個角度來看,即使設計失效,錨拉構件(固有塑性變形發生器)可產生足夠大的位移。擋墻上的荷載遵循被動土壓力大于靜止土壓力,靜止土壓力大于主動土壓力的原則,只要結構允許產生足夠大的位移,擋墻上的壓力會逐步減小,最后達到平衡穩定狀態。這就是本文研究的自保護裝置的工作原理。3按荷載設計要求進行的裝置設計錨拉結構自保護裝置實際上是一個塑性變形發生器,共有兩種類型。一種是摩擦型,它由一個柱體和一個筒體組成,柱體的直徑稍稍大于筒體的內徑(見圖2)。其中圖a)為主視圖,圖b)為圖a)的俯視圖,圖c)為圖a)中的A-A剖面圖。結構受力前,柱體進入筒體,當荷載等于設計荷載時,柱體在筒體內克服摩擦力滑動,摩擦力按荷載設計要求來設計。這種類型的裝置要求加工準確精致,使摩擦力剛好等于設計荷載。此外,這種類型的裝置受環境溫度的影響較大,不適于溫差大的環境。另一種類型的裝置是剪切型。它由一個帶外螺旋齒或其他形狀齒的圓柱體和一個筒體組成,(見圖3)。其中圖a)為螺旋剪切型的主視圖,圖b)為圖a)的俯視圖,圖c)為圖a)中的B-B剖面圖;圖d)為馬賽克剪切型的主視圖,圖e)為圖d)的俯視圖,圖f)為圖d)中的C-C剖面圖。柱體無齒部分直徑與筒體內徑相等或略小,柱體上的齒均高出筒體內徑之外。一旦裝置上的荷載達到設計荷載,柱體在筒體中的位移同時將齒剪壞,剪切極限荷載等于設計荷載。這種類型的裝置基本不受環境溫度的影響,位移穩定。兩種裝置都可安裝在錨具上或鋼筋的接頭上,裝置成本都很低,加工簡單,便于使用。4初步研究考慮到摩擦型自保護裝置有加工精度高,受溫度影響等不利因素,初步試驗研究采用了剪切型自保護裝置。4.1齒條的間距和計算剪切型自保護裝置可設計成多點剪切和螺旋剪切兩種。多點剪切型自保護裝置主要設計被剪切體的形狀、大小和分布:被剪切體的大小決定自保護裝置的保護荷載大小,而形狀和分布的主要作用是保證變形與荷載的連續性和穩定性。試驗內容較大,本研究選擇了螺旋剪切型結構。螺旋剪切型自保護裝置的被剪切體為螺旋齒條(見圖4),螺旋齒條的數量和齒寬決定裝置設計荷載的大小,而螺旋布置可保證保護荷載的穩定性。齒條受剪破壞的荷載,可根據鋼材的抗剪強度來確定,但齒條的實際受力狀態除剪切之外,還有擠壓、扭轉和彎曲等作用,受力狀態復雜。因此,按材料強度來計算裝置的極限荷載實際上很難實現。在初步研究階段,以試驗來確定極限荷載更現實一點。齒條的間距設計主要考慮兩方面的因素:一是在裝置尺寸確定以后,螺旋的密度確定極限荷載的大小;二是前排齒剪切破壞以后盡量不擠壓后排齒,以免發生荷載疊加。齒條形狀可設計成矩形,矩形的高度主要考慮到齒被剪壞時,殘留物不宜太多,以免堆積產生附加積壓抗力,因此不宜太高(見圖5a)。在齒條密度較大時,可將齒條設計成多邊形(見圖5b),使齒條剪壞后與柱體分離,不擠壓后一排齒條。筒體設計除考慮強度之外,還應考慮柱體上齒條剪壞后進入筒體時,與筒體內壁產生摩擦,形成附加摩擦抗力,這種抗力有積累性,在通常情況下是不必要的。因此,將筒體上入口處設計成圖6所示的形狀,保證摩擦力成為一個定值。為了試驗方便,試件不結合錨具進行,將中心部分設計成帶螺旋齒的圓柱體,試驗也不采用受拉,而采用受壓的方式。這些處理方法原則上不會改變試驗目的。4.2試驗結果試驗是在INSTRON1346材料伺服壓力機上進行的,矩形齒和多邊形齒的試驗結果見圖7a,b。4.3齒條破壞模式從圖7的曲線上來看,當荷載未達到設計荷載80%時,位移很小,直線變化。荷載在達到設計值附近時位移增加,在超過一定量后達到峰值,荷載下降。這種現象可理解為:當接近時,材料進入塑性狀態,位移變大;當始初破壞時荷載達到峰值,此后,在根部形成剪切裂紋,由于第一條裂紋的出現,齒條抗剪能力下降,出現荷載的下降段。為避免荷載達到峰值后下降,可采用改變齒條始端形狀,使其峰值荷載得以保持。當荷載——位移曲線第一個峰值之后,此后的荷載隨位移增長出現波動狀態。對于矩形齒波動圍繞這一斜直線進行,觀其實現,發現剪斷的齒重疊在一起,使荷載由剪切齒向后排傳遞,形成同時對一排以上的齒剪切的現象,增加了裝置的抗力。對于多邊形齒(圖7b),荷載波動大致沿一條比較水平的直線進行,此時見試件上破壞的齒遇后一排齒后,向外變形。傳遞給后排齒的荷載不大,因此,曲線的波動基線上提現象主要是齒破壞后重疊傳遞荷載給后排齒造成的。要解決這一問題,可在齒形、齒距上進行改進,使破壞后的齒不再影響其他齒的受力。曲線的波動說明,齒條破壞連續性不好,這種現象也與齒條見的相互影響有關,只要解決好破壞后的齒條不再影響其他齒條的問題,減小波動是可能的。螺旋齒條的連續、穩定的破壞涉及到齒條的形狀、材質、以及筒體入口的形狀,裂紋在剪切狀態下的發展規律也有影響。要解決這些問題,還有很多研究工作要作。本文僅做了初步研究,旨在說明方法的可行性。5錨拉系統的安全性評價1.本文提出的錨拉結構的自保護、自適應裝置設想是一個新的嘗試,它突破了傳統的被動的外加的保護概念,強調結構本身的自動的保護措施,避免提高安全系數而帶來的工程浪費,并同時提高安全性,有很好的實用價值。2.由于這種新技術措施的出現