讓壓環(huán)力學(xué)性能仿真模擬分析

摘 要 在巖土領(lǐng)域采用的預(yù)應(yīng)力錨索（桿），在建筑結(jié)構(gòu)中采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，都很好解決了工程問題，但是預(yù)應(yīng)力的施加在具體工程中也出現(xiàn)了一些問題，如經(jīng)常會出現(xiàn)錨墊板局部受力過大進(jìn)而導(dǎo)致大變形，結(jié)果預(yù)應(yīng)力損失過大而失效，為解決此類問題，提出采用讓壓環(huán)承壓，減小預(yù)應(yīng)力的損失。為研究讓壓環(huán)的力學(xué)性能以及作用原理，通過有限元分析軟件針對不同荷載等級，得出了讓壓環(huán)的力學(xué)特性，為此類工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 讓壓環(huán)；力學(xué)性能；MIDAS/GTS分析軟件；塑性區(qū)

不管是在建筑工程領(lǐng)域，還是在巖土工程領(lǐng)域，對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力能夠很好的解決了工程問題，如在橋梁工程中，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，大大減輕結(jié)構(gòu)的自重，使得橋梁的跨徑變得更大，此外，一定程度上也減少了普通鋼筋的用量，進(jìn)而減少工程造價；另外，巖土支護(hù)工程中，采用施加預(yù)應(yīng)力的錨索（桿）已經(jīng)成為一種非常有效的支護(hù)體，并且在該方面的理論研究也非常成熟。因此，在土木工程領(lǐng)域，預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用已越來越廣泛，但是，應(yīng)用的同時也出現(xiàn)一系列的問題，如承壓板局部受力過大造成預(yù)應(yīng)力損失大而失效等，本文就該問題提出一種方法，即采用讓壓環(huán)裝置，限制承壓板的變形，最大限度的減小預(yù)應(yīng)力的損失，并且該方法已經(jīng)在很多巖土支護(hù)工程中起到了很好的效果。

1.三維有限元模型的建立

1.1 MIDAS/GTS分析軟件介紹

MIDAS/GTS分析軟件主要包括巖土分析（geotechnical analysis）與一般的結(jié)構(gòu)分析（structural analysis），并且兩者之間有較大差異。一般的結(jié)構(gòu)分析注重荷載的不確定性，所以在分析時會加載各種荷載，然后對分析結(jié)果進(jìn)行各種組合，最后取各組合中最不利的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 分析模型的建立

利用Midas/GTS有限元分析軟件，對讓壓環(huán)的承載性能進(jìn)行三維仿真模擬分析，亦即對讓壓環(huán)進(jìn)行逐級施加荷載，監(jiān)測其力學(xué)性能以及破壞情況，所施加的荷載等級見表1，讓丫環(huán)力學(xué)參數(shù)見表2。

所建立的三維有限元模擬如圖1所示。

2.總位移分布

在不同等級荷載作用下，通過對讓壓環(huán)水平方向位移的分析，得出當(dāng)該讓壓環(huán)上的作用荷載超過400MPa時，其就會失效。以下是對讓壓環(huán)總位移的分析，研究其在不同等級荷載作用下的力學(xué)特性。總位移分布情況見圖2以及表3。

從表2以及圖2中，可以看出該讓壓環(huán)在不同等級荷載作用下，其荷載—位移曲線明顯存在著拐點(diǎn)，說明其承載能力是有限的，當(dāng)超過某一值時，在荷載作用下它的變形速度加快，亦即出現(xiàn)塑性變形而破壞。

此外，從讓壓環(huán)的總位移分布圖3中可看出，在讓壓環(huán)最大直徑處，其變形趨勢是表面切向方向，并且當(dāng)荷載小于500MPa的情況下，總位移的最大值發(fā)生在讓壓環(huán)的頂部，而當(dāng)荷載超過500MPa時，則總位移的最大值發(fā)生了轉(zhuǎn)移，亦即發(fā)生在讓壓環(huán)的最大外徑處，這也表明此時讓壓環(huán)變形加快，進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，逐漸失去承載能力。

3.最大主應(yīng)力分布

上面對讓壓環(huán)的位移分析，得出當(dāng)讓壓環(huán)上的作用荷載超過500MPa時，其變形率明顯加快，呈現(xiàn)塑性變形趨勢。

以下是對讓壓環(huán)應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。如圖4所示。

從以上這些最大主應(yīng)力分布圖中，可以看出：

在不同等級荷載作用下，讓壓環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)有明顯的變化，并且在局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。亦即，當(dāng)荷載小于400MPa時，在讓壓環(huán)最大外徑處（表面）發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且受拉應(yīng)力作用；當(dāng)荷載大于400MPa時，應(yīng)力集中現(xiàn)象不僅僅發(fā)生在讓壓環(huán)最大外徑處，同樣在讓壓環(huán)內(nèi)部表面曲率明顯變化處也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且隨著最用荷載的增大，著重應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，范圍不斷擴(kuò)大，同時其內(nèi)力也是受拉。當(dāng)這些應(yīng)力集中區(qū)域的拉應(yīng)力超過了讓壓環(huán)材料的極限抗拉強(qiáng)度時，則該處就會發(fā)生開裂裂隙，逐漸失去承載能力而失效。

根據(jù)以上分析并結(jié)合讓壓環(huán)材料的極限抗拉強(qiáng)度可知，當(dāng)讓壓環(huán)上作用的荷載超過400MPa時，讓壓環(huán)表面就會產(chǎn)生裂隙，隨著作用載荷的增加而不斷發(fā)育，最終失去承載力。

4.塑性區(qū)分布

在不同等級荷載作用下，讓壓環(huán)上出現(xiàn)塑性區(qū)，并且該塑性區(qū)的變化情況與作用荷載關(guān)系很大。如圖5所示。

從讓壓環(huán)上的一些列塑性區(qū)分布圖可以看出：

當(dāng)荷載小于400MPa時，最大剪應(yīng)變主要出現(xiàn)在讓壓環(huán)最大外徑的內(nèi)部，并且范圍不大；當(dāng)荷載超過400MPa時，在讓壓環(huán)最大外徑的內(nèi)部以及外部出現(xiàn)了貫通的塑性區(qū)，這表明此時讓壓環(huán)已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，若繼續(xù)增大荷載，則讓壓環(huán)將會失去承載能力而失效。

5.結(jié)論

在不同等級荷載作用下，結(jié)合以上對讓壓環(huán)位移、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)的分析，得出：

（1） 在外荷載作用下，在讓壓環(huán)的表面曲率變化處發(fā)生應(yīng)力集中，并且在讓壓環(huán)最大外徑處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。

（2） 對于本文選定的讓壓環(huán)，當(dāng)作用荷載超過400MPa時，該讓壓環(huán)的最大外徑處進(jìn)入塑性狀態(tài)，隨著荷載的繼續(xù)增大，在讓壓環(huán)表面曲率變化處同樣出現(xiàn)塑性區(qū)。

（3） 使用讓壓環(huán)時，必須結(jié)合具體工程設(shè)計(jì)有針對性的讓丫環(huán)，使其所承受的荷載不能超過它的屈服點(diǎn)，才能起到更好的作用，亦即本文所選讓丫環(huán)的屈服點(diǎn)為400MPa，這就為此類工程提供了新思路。

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