《武汉工程大学学报》 2020年06期
658-662，668
出版日期：2021-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
大跨径拱桥施工缆索锚碇三维数值模型的构建
随着我国工程领域事业的高速发展，有限元、有限差分等数值模拟技术的应用范围越来越广泛。数值模拟分析软件通常在构建复杂地质体前处理功能方面较为薄弱，在建立复杂地质体模型时因精度问题构件常需大量简化，以至构建的数值模型与真实地质体严重不符，极大程度降低了计算结果的可靠性［1］。因此基于计算机构建的三维数值计算模型成为必然趋势。目前在岩土工程中FLAC3D计算功能较强，但存在前期建模难度大、灵活性差，且费时费力易于出错等问题，较难构建大型复杂地质体三维数值模型。针对上述问题许多学者均对复杂三维地质体的建模方法进行了研究，徐文杰等［2］提出采用CAD软件建立工程地质体三维模型的方法；胡斌等［3］提出在FLAC3D软件提供的初始单元模型的基础上，采用Fortran语言编写FLAC3D前处理程序的方法；崔芳鹏等［4］提出以Surfer软件为过渡平台，通过对三维地质信息的提取与转换，生成FLAC3D模型的建模方法。类似上述构建三维地质体模型的方法较多［5-7］，但均未考虑提高模型网格精度的因素，且设计过程与数值模拟过程差异较大，对于建立精细构造模型（如桥梁锚碇）较为困难。本文将复杂三维地质体模型与AutoCAD、Surfer、ANSYS及FLAC3D多软件耦合，开展大型复杂地质体三维数值模型构建方法研究。1 工程背景该项目为张吉怀（张家界-吉首-怀化）铁路酉水大桥缆扣系统锚碇位置岩石整体稳定性检算。张吉怀铁路酉水桥主拱为跨度292 m的非对称上承式钢管混凝土拱桥，拱座高差43.5 m。全桥主缆扣索共设11个锚碇（图1）。[张家界侧][怀化侧][扣索锚碇][扣索锚碇][主缆锚碇][主缆锚碇][缆塔][3][5][6][4][1][2][主缆锚碇][缆塔风索][下游][主缆锚碇][7][9][8][10][11]图1 酉水大桥扣索锚碇平面布置图Fig. 1 Layout sketch of cable anchorage of Youshui bridge酉水桥缆索吊机锚碇共分为3种，包括张家界侧主缆锚碇、怀化侧主缆锚碇和怀化侧工作索锚碇，每种锚碇分上下游布置。以岩体分级法、Hoek-Brown经验估算法和折减系数法确定的力学参数为基础［8-9］，结合类似工程的经验取值［10-11］，综合确定了研究区岩体力学参数（表1），为岩体稳定性分析计算和防护设计提供依据。2 锚碇三维数值模型构建2.1 建模思路以实际地质条件的调查为基础，提取地质等高线，建立复杂地质体的三维数值模型。基于ANSYS软件在前处理方面的优势与FLAC3D软件在后处理方面的优势，本文依据原始地质资料利用ANSYS软件建立地质模型，再通过FLAC3D软件将实际岩土物理力学等参数通过编写命令流计算，分别求得砂浆体、锚固体以及锚碇围岩稳定性系数，并可直观显示应力、变形、塑性区分布及其演变规律。数值模拟的主要思路如图2所示。2.2 模型构建酉水大桥缆扣系统共设11个锚碇，取张家界侧下游3#扣索锚碇为例，依据本文提出的多软件耦合建模方法，建立复杂地质体三维数值模型。该模型以3#锚碇中心为基点，向外扩展至长宽高为60 m×40 m×50 m的三维地质体模型，共123 302个节点，532 835个单元体。具体实例建模步骤如下：1）在AutoCAD地形图中框选研究区域并清除无关图层，将区域内等高线地形上所有点的三维坐标提取至Excel中进行整理。2）将整理好的坐标数据点Excel文件导入Surfer软件，并保存转换为.grd文件，即生成能反映地表形态特征的地形图网格。3）利用Surfer to ANSYS接口程序将Surfer软件所得地形图网格文件（.dat）转换为ANSYS可读文件（.dat），再导入ANSYS生成地形图网格。4）在ANSYS中通过Create命令创建Keypoints、Lines、Areas及Volumes等操作将地形图网格生成为三维实体，如图3（a）所示。通过实际勘测的锚碇尺寸，在ANSYS中建立等效锚碇模型，并移至三维实体地形图中所对应的工程实际坐标处，用Subtract、Glue等命令将三维模型进行布尔运算，定义属性、分组并进行网格划分［图3（b）］。[ a ][ b ]图3 ANSYS三维地质模型图：（a）三维实体，（b）网格划分Fig. 3 Model diagrams of ANSYS 3D Geology：（a）3D solid，（b）gridding5）其后导出为ANSYS文件，通过ANSYS to FLAC3D接口程序将ANSYS文件转换为FLAC3D文件，导入FLAC3D软件中即可生成FLAC3D地质模型。3 建模技术的应用完成酉水大桥缆扣系统模型构建后，即可在FLAC3D中生成主缆、扣索锚碇体的应力、变形分布规律图。3.1 预应力锚索施作后围岩位移、围岩最大主应力和最小主应力由图4（a）~图4（c）中围岩位移及应力图可以看出，预应力锚索施加后，受锚索张拉应力作用，锚碇板沿锚索轴线向山体内侧发生变形，变形量为毫米级，处于可控范围。围岩位移较大的区域主要分布在锚碇板下方一定范围及锚索锚固段附近，位移量值为0.1 mm级以内，处于安全可控范围。由图4（a）~图4（c）中位移、应力分布规律可以看出，预应力锚索施作后，山体发生明显应力、位移重分布。围岩应力、位移较大的区域主要分布在锚碇板下方一定范围及锚索锚固段附近，应力量值不超过10 MPa，位移量值为毫米级，处于安全状态。整体而言，预应力锚索施作后山体及锚固系统稳定性良好。3.2 主拱施工过程中围岩位移、围岩最大主应力和最小主应力由图5（a）~图5（c）中围岩位移及应力图可以看出，在施工阶段主缆、扣索拉力作用下，锚碇板、围岩变形规律基本不变，仍处于压紧状态，但量值略有减小。表明在索力作用下，预应力锚索与山体共同构成的锚固体系应力环境并未发生明显改变。3.3 主拱施工过程中围岩强度折减的应力与塑性区分布特征由图6中3个阶段的应力及塑性区分布图可以看出，主拱施工过程中，围岩强度折减的应力与塑性区分布，随着围岩强度的不断折减，等效应力量值逐渐增大，塑性区由锚碇局部逐渐扩展到围岩中，并贯通，最终发生整体破坏。基于“二分法”求出的强度折减法的安全系数［12］（表2）可以看出，锚索安全系数处于2.4~3.5之间，砂浆安全系数处于5.0~10.1之间，锚碇围岩安全系数处于8.5~15.4之间。整体而言，锚固系统安全系数基本满足要求。对于具体锚碇而言，最容易出现的破坏形式依次是锚索拉断、锚索沿砂浆拉脱、锚固体整体拔出。表2 主拱施工过程中锚固系统安全系数Tab. 2 Safety factors of anchoring system during construction progresses of main arch[锚碇编号\&安全系数\&锚索\&砂浆\&锚碇围岩\&1#锚碇\&2.4\&5.0\&10.3\&2#锚碇\&2.4\&7.2\&10.8\&3#锚碇\&2.6\&10.1\&8.5\&4#锚碇\&2.6\&9.2\&12.5\&5#锚碇\&2.5\&9.3\&13.2\&6#锚碇\&2.6\&6.9\&11.5\&7#锚碇\&2.6\&5.8\&9.5\&8#锚碇\&3.5\&9.8\&15.4\&9#锚碇\&2.6\&5.6\&10.3\&10#锚碇\&2.5\&5.3\&10.6\&11#锚碇\&2.6\&8.1\&9.2\&]4 相关技术讨论深入分析该复杂地质体三维数值模型构建方法，从模型构建过程中存在的问题着手，将多种改进方法进行对比［13-14］，优化建模方案。4.1 锚索间单元体过密以3#扣索锚碇为例，背部的9根预应力锚索在划分单元网格时与锚碇体接触面处可能存在单元体过密的问题。虽然单元体过多不会对整体网格存在较大影响，但会造成计算效率低等影响。首先尝试施加大套筒包裹住全部锚索，进行Booleans操作后划分单元网格［图7（a）］，锚索间单元体数略微减少，但数量仍然较多。通过多次试验发现，若施加小套筒包裹住单根锚索可使锚索间与锚碇接触面处划分出较为稀疏的单元体［图7（b）］。由所划分单元数量可知，未施加套筒时划分为3 624 152个单元体，施加大套筒后划分为2 131 146个单元体，而施加小套筒后划分仅有532 835个单元体。综上所述，施加小套筒包裹住单根锚索可使单元体总数大幅减少。4.2 锚索轴力在预应力作用下分布不均在预应力作用下，每根锚索可能会出现轴力不均匀的情况。以3#锚碇为例，中间一排锚索的轴力明显小于上下相邻两排锚索的轴力，见图8（a）。通过多次试验发现，若将锚固梁、锚碇及山体连接处建立薄层（图9）再进行Booleans操作可解决此类问题，所建薄层的材料参数取值约为相邻两介质材料参数值的1/10［15］。如图8（b）所示，将锚碇与山体间增加薄层后再进行Booleans操作使得锚索轴力在预应力作用下均匀分布。[ a ][ b ][1.690 1E+061.600 0E+061.500 0E+061.400 0E+061.300 0E+061.200 0E+061.100 0E+061.000 0E+069.000 0E+058.000 0E+057.000 0E+056.000 0E+055.000 0E+054.000 0E+053.000 0E+052.000 0E+051.000 0E+053.630 4E+03][1.585 3E+061.500 0E+061.400 0E+061.300 0E+061.200 0E+061.100 0E+061.000 0E+069.000 0E+058.000 0E+057.000 0E+056.000 0E+055.000 0E+054.000 0E+053.000 0E+052.000 0E+051.000 0E+056.770 5E+03]图8 预应力作用下锚索轴力图：（a）增加薄层前，（b）增加薄层后Fig. 8 Axial force diagrams of anchor cable under prestress：（a）before adding thin layer，（b）after adding thin layer图9 增加薄层后的ANSYS三维地质模型图Fig. 9 Model diagram of ANSYS 3D Geology after adding thin layer5 结 论本文旨在研究更为高效、便捷的复杂地质体三维数值建模方法，结合酉水大桥缆扣锚碇稳定性检测实例，得出如下结论：1）针对大型复杂地质体三维数值模型构建问题，充分利用大型分析、制图软件AutoCAD、Surfer，ANSYS和FLAC3D各自的优点，提出多软件耦合建模方法，详细阐述了建模方法的具体流程。2）数值分析计算结果显示，初始状态、预应力锚索施作后、主拱施工过程3种工况下锚固系统处于稳定状态，其中锚索安全系数＞2.4，砂浆安全系数＞5.0，锚碇围岩安全系数＞8.5，锚固系统整体安全系数取上述3者中最小值，即＞2.4，安全系数满足要求。3）进行相关技术讨论，对比分析不同建模方案，取长补短，优化了AutoCAD、Surfer、ANSYS和FLAC3D多软件耦合建模方法。4）研究解决预应力锚碇围岩数值分析模型的建构难题，为复杂组合结构的力学特性研究探索出一条有效途径，为类似工程采用数值方法解决方案积累成功案例。