地下廠房巖錨吊車梁優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值分析

石高峰，王其利，田金波

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

水電站地下廠房巖錨吊車梁，是通過特定長度的錨桿連接圍巖和鋼筋混凝土梁，來承受上部橋機設(shè)備、吊物等荷載的一種結(jié)構(gòu)型式。文中主要分析比對巖臺式吊車梁和巖壁式吊車梁的優(yōu)劣勢和適用性，并結(jié)合工程實例，對巖錨吊車梁設(shè)計結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化設(shè)計，另從數(shù)值分析理論對圍巖-錨桿-吊車梁的作用機理進行深入研究。

1 吊車梁結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)化設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)化設(shè)計

巖錨吊車梁主要分為巖臺式及巖壁式，兩種形式的優(yōu)劣勢和適用性如表1所示。

表1 巖臺式及巖壁式吊車梁優(yōu)劣勢和適用性對比

綜合兩種型式吊車梁的優(yōu)缺點，相對于巖臺式吊車梁，在地質(zhì)條件較差的地下廠房工程中，采用排架柱支撐巖錨吊車梁方案，可以減小廠房頂拱的開挖跨度，同時也可減小巖臺吊車梁基礎(chǔ)承臺不規(guī)則成型的不利影響。雖然增加了排架柱的工程量，但是可以靈活布置排架柱支撐的間距，以不影響廠房的凈距要求，滿足正常使用功能。相對于巖壁吊車梁，可以更好地適應(yīng)相對較差的地質(zhì)條件，尤其對于海外工程，在某些特定情況下地勘深度無法滿足最終設(shè)計的前提下，文中提出的優(yōu)化設(shè)計是安全可靠的。

1.2 工程實例

TP水電站二級地下廠房規(guī)模為66.4 m×27.3 m×47.4 m（長×寬×高），洞室圍巖以安山巖及凝灰?guī)r為主，圍巖類別為III類，局部低于III類。地下廠房起重設(shè)備為1臺250 t/20 t的橋式吊車，吊車跨度為15.2 m，單個最大設(shè)計豎向輪壓為772.8 kN。橋式吊車單側(cè)共有4個車輪組，每個車輪組有2個車輪，共8個車輪，車輪最大間距8.8 m。巖錨吊車梁高度為1.8 m，寬度為2.2 m，縱向總長度為66.4 m。交錯布置上下兩排錨桿，上排錨桿直徑為36 mm，水平布置，下排錨桿直徑為32mm，錨桿傾角5°，上下兩排錨桿長度均為10 m，間距均為0.8 m。地下廠房吊車梁結(jié)構(gòu)，見圖1。

2 錨桿作用的數(shù)值分析

基于Phase2可模擬吊車梁-接觸面-巖石-錨桿的相互作用，分析過程中考慮吊車梁與巖石的接觸面，圍巖、吊車梁混凝土、接觸面及錨桿參數(shù)如表2所示，吊車梁荷載設(shè)計值如表3所示，數(shù)值分析模型如圖2所示。為安全起見，計算錨桿作用時，不考慮鋼筋混凝土襯砌及排架柱影響。吊車梁、接觸面、巖石、錨桿數(shù)值分析模型，見圖2。

2.1 吊車梁受力特性分析

圖1 地下廠房吊車梁結(jié)構(gòu)圖（mm）

表2 圍巖、吊車梁混凝土、接觸面及錨桿物理力學(xué)參數(shù)

表3 荷載設(shè)計值

圖2 吊車梁-接觸面-巖石-錨桿數(shù)值分析模型

如圖3～4所示，吊車梁第一和第三主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，梁體第一主應(yīng)力壓應(yīng)力值在0.05～3 MPa之間，吊車梁與承臺角點部位壓應(yīng)力較大，并有應(yīng)力集中現(xiàn)象。第三主應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，且量值較小。整體上吊車梁受力狀態(tài)良好。

吊車梁位移分布如圖5所示，從位移等值線圖可以看出，吊車梁最大位移約為1.0 cm，位移從上至下逐漸減小。整體來看圍巖相對較好，圍巖變形程度小，使得吊車梁的變形也相對較小。

圖3 δ1（MPa）

圖4 δ3（MPa）

圖5 吊車梁位移云圖（m）

2.2 吊車梁與圍巖接觸面受力分析

圖6為圍巖-吊車梁接觸面部位的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布規(guī)律，可以看出：接觸面上部有較小的拉應(yīng)力，下部主要以壓應(yīng)力為主；剪應(yīng)力在端部區(qū)域較大，即端部區(qū)域為較易發(fā)生剪切破壞和錯動的位置。接觸面的位移自上而下逐漸減小，但是由于錨桿的約束，在錨桿附近區(qū)域，位移有顯著減少，接觸面最大位移約為6 mm，如圖7所示。

圖6 距離吊車梁頂部接觸位置（m）

2.3 錨桿內(nèi)力分布

錨桿內(nèi)力的變化分布趨勢，大致分為三個區(qū)域，區(qū)域1為吊車梁區(qū)域段，錨桿作用的軸力相對較??；區(qū)域2為圍巖-吊車梁接觸面附近區(qū)域段，由于接觸面部位是薄弱環(huán)節(jié)，因此該部位錨桿軸力變化較為顯著，最大軸力達到0.15 MN；區(qū)域3為圍巖區(qū)域段，在該區(qū)域范圍內(nèi)錨桿軸力變化趨于穩(wěn)定?？傮w而言，錨桿均未超過自身所能承受的抗拉極限，能夠滿足設(shè)計要求。

圖7 接觸面位移分布

3 結(jié)語

1）文中通過研究分析比對了巖臺式吊車梁和巖壁式吊車梁的優(yōu)劣勢和適用性，并結(jié)合工程實際對吊車梁結(jié)構(gòu)型式進行優(yōu)化設(shè)計。

2）基于Phase2的數(shù)值分析法分別對優(yōu)化設(shè)計后的吊車梁及接觸面受力特性進行了分析和研究，研究表明優(yōu)化設(shè)計后的吊車梁及接觸面的整體受力狀況良好，各項指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。

3）優(yōu)化設(shè)計方案充分利用了巖壁吊車梁和排架柱的特點，適用于圍巖地質(zhì)條件較差的地下廠房工程。

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