悬索桥隧道锚数值模拟分析研究

论文摘要

随着我国现代化建设的高速发展,在桥梁建设中大跨径悬索桥方案越来越被人们所重视。其中锚碇在整个悬索桥的设计和施工中是一个很重要的环节。由于隧道式锚碇可以大幅度降低工程造价、结构受力合理、对周围环境破坏程度较小,因此得到越来越多的重视。与此同时,隧道式锚碇耐久性研究及设计施工中提高耐久性的措施成为一个很重要的研究课题。论文介绍了隧道锚的结构,作用机理,以及稳定性的相关理论,以及FLAC3D基本功能和特点、优点、单元模型、本够关系、求解过程等,主要研究内容包括基于FLAC平台的岩体模型的选取,锚碇区初始地应力场建立及锚塞体和围堰之间的接触等关键性问题。本文以普立特大悬索桥的锚碇与锚碇围岩为研究对象,根据锚碇区的地形地质特性,运用三维非线性有限元差分软件FLAC3D进行仿真分析,对普立特大悬索桥隧道锚碇区围岩在锚洞开挖、浇筑、正常运营等过程中的反应进行了分析研究,得到以下主要结论:(1)从开挖后的位移和应力看来,位移和应力较小,开挖后锚洞四周岩土均有向内倾斜的趋势,为保下一阶段的正常施工,应于加固处理。(2)在大缆超3倍,5倍拉力下,位移较小,隧道锚体及围堰的位移和应力均较小,且塑性分布区很小,整体处于安全状态,可以正常工作。本文对普立悬索桥隧道锚固系统进行安全度评估,为设计与施工提供决策依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 隧道锚的研究意义
• 1.3 隧道锚国内外研究现状
• 1.3.1 国内外工程应用情况
• 1.3.2 隧道锚的设计施工方面
• 1.3.3 隧道锚的计算方面
• 1.3.4 岩石力学的应用方面
• 1.3.5 软件及实验对工程的应用
• 1.4 本课题主要的工作和研究方法
• 1.4.1 本文的主要工作
• 1.4.2 研究方法
• 第二章 数值分析的方法
• 2.1 锚固段的受力特点
• 2.2 隧道锚锚固段的作用机理
• 2.2.1 锚束与浆体间的剪应力
• 2.2.2 浆体与岩体间的剪应力
• 2.2.3 锚固段抗滑稳定性分析
• 2.3 锚固段稳定性分析
• 2.3.1 锚碇及围岩的破坏形式
• 2.3.2 隧道锚的稳定性
• 2.3.3 稳定性判别方法
• 2.4 数值模拟
• 2.4.1 岩体的数值模拟
• 2.4.2 岩体开挖模拟
• 2.4.3 岩体回填模拟
• 2.4.4 隧道锚受力模拟
• 第三章 隧道锚结构 FLAC3D 数值分析方法
• 3.1 有限差分数值方法（FLAC3D）概述
• 3.1.1 FLAC3D 的特点
• 3.1.2 FLAC3D 的优点
• 3.2 求解过程
• 3.2.1 导数的有限差分近似
• 3.2.2 运动方程
• 3.2.3 应变、应力及节点不平衡力
• 3.2.4 阻尼力
• 3.2.5 计算循环
• 3.3 结构单元
• 3.3.1 梁（beam）单元
• 3.3.2 锚索（cable）单元
• 3.3.3 桩（pile）单元
• 3.3.4 三维壳体（shell）单元
• 3.3.5 土工格栅（geogrid）单元
• 3.3.6 初衬（liner）单元
• 3.4 本构模型
• 3.4.1 零（NULL）模型
• 3.4.2 弹性模型
• 3.4.3 Mohr—Coulomb 模型
• 3.5 接触问题的应用
• 3.6 地应力场的模拟
• 3.6.1 地应力场基本分布规律
• 3.6.2 初始地应力场的构成
• 第四章 普立特大桥锚碇系统的稳定性分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 岩体的力学特性
• 4.2.1 岩体地质力学特性
• 4.2.2 岩体力学参数取值
• 4.3 数值分析模型
• 4.3.1 锚体截面尺寸设计
• 4.3.2 锚体长度设计
• 4.3.3 锚体锚数值模型设计方案
• 4.4 隧道锚数值分析结果
• 4.4.1 开挖分析
• 4.4.2 回填分析
• 4.4.3 施加荷载后的岩体分析
• 4.4.4 加载时控制点位移变化和塑性区的分布
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的科研成果及发表的论著