輕型鋼墊板錨墩的施工設(shè)計(jì)與應(yīng)用

輕型鋼墊板錨墩的施工設(shè)計(jì)與應(yīng)用葛暢概述隨著我國水利水電行業(yè)的不斷發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，巖錨工程在水電行業(yè)實(shí)踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用，其各種結(jié)構(gòu)形式的預(yù)應(yīng)力錨索及其相關(guān)理論也日趨完善。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念主要將重點(diǎn)部位放在錨固端上，而對(duì)反力結(jié)構(gòu)則基本沿襲了現(xiàn)有的鋼筋混凝土墩頭，傳統(tǒng)墩頭由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其施工耗時(shí)耗工，在地下廠房施工中該問題尤為突出。近年來，國內(nèi)大多數(shù)大型地下廠房其頂拱和側(cè)墻預(yù)應(yīng)力錨索加固全部采用臺(tái)錐型鋼筋混凝土錨墩。例如拉西瓦水電站主副廠房長(zhǎng) 311.75m,概述隨著我國水利水電行業(yè)的不斷發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，巖錨工程在水電行業(yè)實(shí)踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用，其各種結(jié)構(gòu)形式的預(yù)應(yīng)力錨索及其相關(guān)理論也日趨完善。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念主要將重點(diǎn)部位放在錨固端上，而對(duì)反力結(jié)構(gòu)則基本沿襲了現(xiàn)有的鋼筋混凝土墩頭，傳統(tǒng)墩頭由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其施工耗時(shí)耗工，在地下廠房施工中該問題尤為突出。近年來，國內(nèi)大多數(shù)大型地下廠房其頂拱和側(cè)墻預(yù)應(yīng)力錨索加固全部采用臺(tái)錐型鋼筋混凝土錨墩。例如拉西瓦水電站主副廠房長(zhǎng) 311.75m,頂寬30m,橋機(jī)(1.中國葛洲壩集團(tuán)市場(chǎng)開發(fā)部，湖北宜昌443000；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧丹東118216)摘要：本文以拉西瓦等水電站地下廠房預(yù)應(yīng)力錨索施工為個(gè)例，對(duì)輕型鋼墊板錨墩在大型地下廠房中的施工設(shè)計(jì)與應(yīng)用問題進(jìn)行初步探討。關(guān)鍵詞：輕型鋼墊板；集中荷載；有限元；中心撓度AnchorpoleofLightSteelBackingStripExecutiveProjectandApplication112GeChang，ZhangWen-jun，ChuHong-chen(1.MarketDevelopmentDepartmentofGezhouDamGroup，Yichang443000，Hubei；2.LiaoningPushiRiverThePumpGathersEnergyCo.Ltd.，Dandong118216，Liaoning)Abstract：ThisarticletakeLaxiwaandsoonhydroelectricpowerstationundergroundworkshoppre-stressedanchorcableconstructionsasanexample,carriesonthepreliminarydiscussiontoanchorpoleoflightsteelbackingstripinthelarge-scaleundergroundworkshop'sexecutiveprojectandtheapplicationquestion.Keywords:LightSteelBackingStrip；Centralizedload；Finiteelement；Centralamountofdeflection.軌道以下寬27.8m,高73.84m。僅廠房EL.2260.7m~2228.7m上、下游側(cè)邊墻就布置了六排預(yù)應(yīng)力錨索，其中1500kN級(jí)錨索446束，鋼筋混凝土墩頭設(shè)計(jì)尺寸為0.8X0.8X0.4m（長(zhǎng)X寬X高）；2000kN級(jí)錨索156束，鋼筋混凝土墩頭設(shè)計(jì)尺寸為1.1X1.1X0.5m。由于廠房結(jié)構(gòu)上的要求，錨墩應(yīng)盡量少占用廠房空間，因此全部設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌式鋼筋混凝土錨墩結(jié)構(gòu)。主副廠房上、下游側(cè)邊墻開挖成型后，內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)錨索墩頭需對(duì)邊墻進(jìn)行二次開挖，其施工方法主要有鉆爆法和靜爆劑法等，但都存在一定弊端：（1）鉆爆法施工錨墩坑槽開挖采用二次鉆孔爆破對(duì)圍巖破壞影響較大，嚴(yán)重影響圍巖穩(wěn)定性，無形增加了廠房實(shí)際跨度，尤其是在廠房高邊墻直接開孔鉆爆，極可能將周圍已趨于穩(wěn)定的圍巖荷載重新分布釋放，易造成片幫及冒頂?shù)仁鹿省＃?）靜爆劑法施工錨墩坑槽開挖若采用靜爆劑法施工，確實(shí)可以避免鉆爆法對(duì)圍巖整體性的影響，然而坑槽受造孔角度1及巖石級(jí)別2等因素制約，靜爆劑法無法達(dá)到預(yù)期效果，加之靜爆劑灌注后養(yǎng)護(hù)工序繁瑣且時(shí)間較長(zhǎng)（超過48h）,耗費(fèi)大量時(shí)間、人工，無形增加了施工成本。鑒于錨墩坑槽開挖所帶來的諸多施工弊端，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)反力結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用輕型鋼墊板錨墩作為預(yù)應(yīng)力錨索的反力結(jié)構(gòu)，具有大幅提高施工進(jìn)度、確保圍巖穩(wěn)定性、增加廠房整體美觀以及減少后期裝飾工程量等優(yōu)點(diǎn)。但輕型鋼墊板在拉西瓦地下廠房中首次應(yīng)用，其理論分析、計(jì)算應(yīng)與實(shí)際施工相結(jié)合，逐步調(diào)整其參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)化結(jié)果。（注：1、造孔角度與水平夾角偏小會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)無法注滿靜爆劑； 2、巖石級(jí)別強(qiáng)度過高，會(huì)大大降低靜爆劑效果。）2輕型鋼墊板的尺寸確定鋼墊板錨墩在受集中荷載后，采用普通簡(jiǎn)化模型對(duì)鋼墊板下部巖層極限抗壓能力進(jìn)行驗(yàn)算、分析，初步確定墊板模型截面尺寸，再利用有限元法及材料力學(xué)理論公式驗(yàn)算假定厚度值，推導(dǎo)出墊板厚度，最終結(jié)合生產(chǎn)、施工加以修正鋼墊板的尺寸。2.1主要參數(shù)根據(jù)拉西瓦電站地下廠房相關(guān)的設(shè)計(jì)資料，獲得如下基本的計(jì)算參數(shù)：

花崗巖的抗壓強(qiáng)度：60?100Mpa；主要預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)荷載及相應(yīng)孔徑:1500kN級(jí)錨索輕型鋼墊板孔徑?165mm,2000kN級(jí)錨索輕型鋼墊板孔徑?195mm；錨索張拉應(yīng)力范圍：30%cVcW115%c;鋼板彈性模量E取206Gpa；(5)Et3(5)Et312(1-」2)，其中泊松比卩取0.3;(6)輕型鋼墊板錨墩采用方形整體鋼結(jié)構(gòu)。2.2墊板邊長(zhǎng)計(jì)算根據(jù)普通簡(jiǎn)化模型試算鋼板邊長(zhǎng)，假設(shè)鋼板的厚度為t(cm),邊長(zhǎng)為L(zhǎng)(cm)。由于墊板下巖層應(yīng)力為不均勻分布，高應(yīng)力區(qū)主要集中在穿索孔周圍的小范圍內(nèi)。計(jì)算圍巖極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮局部安全超高 k1和錨索超張拉k2等安全系數(shù)，故最小安全系數(shù)k(k1+k2。。。)按1.6?1.8取值，圍巖完整性好的取小值，反之取大值。綜上述，1500kN級(jí)和2000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索墊板截面尺寸計(jì)算如下：Q1500=(15001.15109)/[L^-7：(16.5/2)2]乞60106Q2°oo=(20001.15109)/[L22t>(19.5/2)2pi60106由上式可得，L1500>kL1=(1.6?1.8)X22.4cm=35.84?40.32cmL2000>kL2=(1.6?1.8)X26.1cm=41.7446.98cm據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)、施工的簡(jiǎn)易性和可操作性， 1500kN級(jí)錨索鋼墊板截面尺寸擬定為45X45cm，中部設(shè)置?165mm穿索孔；2000kN級(jí)錨索鋼墊板截面尺寸擬定為50X50cm，中部設(shè)置?195mm穿索孔。2.3墊板厚度確定鋼墊板錨墩在有限元應(yīng)用中歸結(jié)于彈性薄板問題，在受到垂直于墊板面的集中荷載后，墊板將產(chǎn)生彎曲，最大撓度-'max理論產(chǎn)生在墊板穿索孔中心。

利用有限元法⑴計(jì)算鋼墊板彎曲的收斂情況，計(jì)算網(wǎng)格如圖 1-(a),在集中荷載作用下，沿中線的撓度?’見圖1-(b)。*4X4(a)—2X21015 X10(a)計(jì)算網(wǎng)格*4X4(a)—2X21015 X10(a)計(jì)算網(wǎng)格18X16盞分解4X4差井解6x&差分輝2x2差分韓(b)(b)撓度1集中荷載q作用下的正方形鋼墊板UndercentralizedloadqfunctionrofilesteelbackingstripFig.1Undercentralizedloadqfunctionrofilesteelbackingstrip承受均布荷載P或中央集中荷載q的正方形鋼墊板，用有限元法求得的中心點(diǎn)撓度與精確解的比較見表1。正方形鋼墊板的中點(diǎn)撓度(矩形單元)Table1Squaresteelbackingstrip'scenterpointamountofdeflection(Rectangularunit)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)均布荷載cmaxD/PL4)集中荷載(maxD/QL2)2X290.0034460.0137844X4250.0039390.0123278X8910.0040330.01182916X162890.0040560.011671精確解——0.0040620.011600由于墊板高應(yīng)力主要集中在錨索穿索孔小范圍內(nèi)， 最大撓度maxD/QL2取集中荷載中心點(diǎn)0.0116。假定1500kN級(jí)錨索鋼墊板厚度為40mm,最大集中荷載為1.15Q，代入式maxD/QL2中，可得

匸，max=0.0116QL匸，max=0.0116QL2/[2~匚，max3 2二0.01161.15150010 0.45/[20610匚，max3 2二0.01161.15150010 0.45/[2061090.043212(10.32)]=3.36mm即當(dāng)板厚40mm時(shí)，鋼墊板的最大撓度-^ax為3.36mm。假定2000kN級(jí)錨索鋼墊板厚度為45mm,最大集中荷載為1.15Q，由式⑴得,=0.01161.1520001030.5⑴得,=0.01161.1520001030.52/[2061090.0453212(10.32)]=3.88mm，即當(dāng)板厚45mm時(shí)，鋼墊板的最大撓度?辰為3.88mm（2）根據(jù)目前工呈手冊(cè)及材料力學(xué)文獻(xiàn)-公式喰=容耳為理論計(jì)算依據(jù)，利用有限元法計(jì)算的??精確解，驗(yàn)算假定鋼墊板厚度。其中：L 鋼墊板寬度（mm）t鋼墊板厚度（mm）E——材料的縱向彈性模量（Mpa）p 鋼墊板內(nèi)壓強(qiáng)（Mpa）d――穿索孔直徑（mm），按孔外切矩形計(jì)算b——承受內(nèi)壓P部分的寬度（mm）輕型鋼墊板錨墩墊板示意圖如圖2-（a、b）所示鋼絞線±7....點(diǎn)J嚴(yán)口錨版具鋼制斛r-L-|J±7....點(diǎn)J嚴(yán)口錨版具鋼制斛r-L-|JtWJIw鋼管套(a)端頭錨外錨頭結(jié)構(gòu)圖隔離架L450-500(b)A-A剖面圖圖2輕型鋼墊板錨墩墊板示意圖Fig.2Anchorpoleoflightsteelbackingstripschematicdrawing則錨索墊板厚度由撓度公式計(jì)算如下：①1500kN級(jí)錨索p1500=1500X10 560.491951954X1.15/0.1652 560.491951954t150035Pt150035P1500bd432ELmax563.361651654=3.322.06105 4503.36二15.72mm<40mm故假定鋼墊板厚度滿足最大撓度形變。②2000kN級(jí)錨索p2000=2000X103X1.15/0.1952"60.49Mpa二二18.82mm<45mmt2000_35 p2000 b川.32EL pax故假定鋼墊板厚度滿足最大撓度形變。上述計(jì)算公式用于近似計(jì)算。實(shí)際上，在鋼墊板上還要加工進(jìn)回漿孔、排氣孔等孔洞，所以要精確地進(jìn)行撓度計(jì)算實(shí)際上很困難。此外，實(shí)際施工中應(yīng)考慮錨索施工存在超張拉、簡(jiǎn)化模型及其解析解由于假設(shè)條件多而誤差較大等因素，墊板厚度取值加以補(bǔ)償，引入余量，安全系數(shù)擬定為2.0?2.2,實(shí)際系數(shù)根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果具體調(diào)整。故 1500kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索錨墩墊板厚度取值按40mm計(jì),2000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索錨墩墊板厚度取值按50mm計(jì)。3輕型鋼墊板錨墩的試驗(yàn)與施工根據(jù)計(jì)算的鋼墊板尺寸取值，在廠房上游邊墻分別進(jìn)行兩種級(jí)別鋼墊板錨墩生產(chǎn)性試驗(yàn)。首先，在孔口部位抹水泥砂漿找平，面層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，再安裝鋼墊板待砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行錨索張拉鎖定。試驗(yàn)初期，單（整）束絞線張拉在孔口處易拉（斷）裂，施工中逐步發(fā)現(xiàn)問題多由水泥砂漿找平面不平整以及千斤頂張拉偏離等問題引起的。在鋼墊板錨墩代替原鋼筋混凝土錨墩方案中，由于錨墩中孔長(zhǎng)度較原方案急劇縮短，若絞線張拉與孔洞軸線方向偏離，即會(huì)使鋼墊板中孔段絞線彎矩呈冪數(shù)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致孔口附近絞線斷裂。故錨墩孔口砂漿找平、千斤頂張拉[4][5]等施工環(huán)節(jié)要求十分嚴(yán)謹(jǐn)，直接關(guān)系到錨索整體張拉和鎖定能否順利進(jìn)行。因此在實(shí)際施工中作如下改進(jìn)：（1）砂漿找平鋼墊板制安部位砂漿找平前，緊貼巖面鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)（50x50mm,絲徑?2.6?3.2mm）,四角展平后用土釘固定；采用M10以上（含M10）硅酸鹽水泥拌制砂漿找平，視巖面平整度，砂漿找平層厚度一般為15?20mm；1?3d后，待水泥砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%以上，再在砂漿面層鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，四角展平固定。（2）錨索張拉在孔口平整的前提下，錨索張拉出現(xiàn)絞線斷裂，一般在整體張拉過程中。我們常用的錨索張拉千斤頂如YCD120、YCD200型。張拉時(shí)，彈性頂壓器的殼體把彈性元件緊壓在夾片上，由于彈性元件與夾片之間有彈性，鋼絞線能正常地拉出；張拉后無頂錨工序，利用鋼絞線內(nèi)縮將夾片帶進(jìn)錨固。這種做法雖然可使千斤頂?shù)臉?gòu)造簡(jiǎn)化、操作方便，但可能導(dǎo)致夾片受力不均勻、回縮損失較大，因此經(jīng)常發(fā)生絞線斷裂現(xiàn)象。鑒于此類千斤頂工作特點(diǎn)，實(shí)際施工中采用YCQ型千斤頂，這類千斤頂不頂錨，采用限位板代替頂壓器，在鋼絞線張拉過程中限制工作錨夾片的外伸長(zhǎng)度，以保證在錨固時(shí)夾片有均勻一致和所期望的內(nèi)縮值。千斤頂工作示意見圖3。經(jīng)上述施工技術(shù)改進(jìn)，鋼墊板錨墩在錨索張拉或超張拉后，鋼墊板下的墊層水泥砂漿找平面平整光滑，且未出現(xiàn)裂紋。錨索張拉后測(cè)力計(jì)觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)，張拉鎖定后的測(cè)