铁路悬索桥隧道式锚碇承载机理及计算方法研究

发布时间：2019-03-06 16:00

【摘要】：锚碇是悬索桥的主要承载构件之一,隧道式锚碇与重力式锚碇相比,具有环境扰动小和性价比高的优点,但锚碇与围岩相互作用机理尚不十分明确,隧道锚设计方法也未形成体系。本文以我国首座拟建铁路悬索桥—丽香铁路金沙江特大桥隧道式锚碇为研究对象,采用理论计算、数值分析、模型试验相结合的方法,对铁路悬索桥隧道式锚碇的承载机理及计算方法进行了研究。主要内容和成果如下：(1)对依托工程锚址区工程地质特征进行了总结分析,确定了隧道锚围岩的宏观力学参数,评价了围岩质量及坡体稳定性,为隧道锚的计算分析提供了地质基础。(2)采用模型试验方法揭示了隧道锚的变形影响区特征,建立了锚碇体荷载传递曲线函数关系,推导了锚碇体与围岩界面的剪应力计算公式。在锚体主轴方向上荷载由后端面向前端面按负指数函数规律传递,在横断面方向则是以锚体为中心向围岩四周扩散；锚碇体同围岩接触面的剪应力发挥程度沿锚体轴向分布并不均匀,峰值距加载面距离约为1/3锚碇长度,之后随着远离加载面逐渐衰减；平直型接触面情况下的隧道锚变形影响区呈一圆柱体,防滑齿坎型接触面情况下呈一上大下小的倒锥台形。(3)通过模型试验揭示了隧道锚荷载～位移曲线的三阶段特征及不同接触面情况下的破坏模式。隧道锚荷载～位移曲线可分为弹性变形、弹塑性变形和破坏三个发展阶段；平直型接触面方案为沿锚碇体侧壁界面破坏模式,防滑齿坎型接触面为喇叭形倒锥台形破坏模式；防滑齿坎可显著提高隧道锚极限承载力,径向锚杆可增强隧道锚的整体刚度。(4)基于ABAQUS软件建立岩体的弹脆塑性损伤本构模型,利用该本构同时考虑岩体的张拉-剪切复合破坏机制,可以较好模拟岩体破裂后的力学行为,为研究岩体真实的破裂过程提供了基础。(5)通过损伤数值分析方法模拟了隧道锚加载破裂全过程,分析了锚碇体埋深对隧道锚破裂机制的影响,计算结果与模型试验结果吻合较好,进一步拓展了模型试验成果。(6)隧道锚承载性能影响因素分析结果表明,围岩性质、锚碇体与围岩接触面强度、锚碇体扩展角、轴向长度及断面直径对隧道锚的承载性能均具有正效应,其中围岩级别及轴向长度存在临界值；几何参数的敏感程度排序为：扩展角断面直径轴向长度；锚碇体圆形断面承载性能优于马蹄形断面。(7)总结提出了隧道锚的四大类破坏模式,即锚碇体侧壁界面破坏、锚碇体周围岩体破坏(分为倒圆锥体形和喇叭形倒锥体形破坏)、边坡整体滑移及锚碇体压缩破坏,并指出了各自的发生条件及表现特征。该研究成果为隧道锚计算模型的建立提供了理论依据。(8)基于极限平衡理论,针对锚碇体侧壁界面破坏和锚碇体周围岩体破坏两类典型破坏模式,提出了隧道锚的极限承载力计算方法。(9)提出了铁路悬索桥隧道锚的设计计算流程和方法,结合丽香铁路金沙江特大桥隧道锚给出了设计范例,通过依托工程的三维有限元分析进一步论证了隧道锚计算方法及设计方案的合理性。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U448.25

【参考文献】