郭 瑋，林 娜，任廣云

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018；2.臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 臨沂 276001；3.臨沂市水利局，山東 臨沂 276001）

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件?？捎脕?lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。通過(guò)ANSYS有限元軟件模擬分析高強(qiáng)螺栓連接壓板與墊板的新型螺栓壓板錨固型式能夠直觀、清晰的看出錨固構(gòu)件及橡膠壩底板在外荷載的影響下引起的位移、應(yīng)力變化。本文以壩高5m,內(nèi)壓比1.3的橡膠壩為例，介紹高強(qiáng)螺栓連接的雙錨筋錨固型式的理論分析、計(jì)算及ANSYS有限元的模擬。

1 高強(qiáng)螺栓壓板式錨固系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 理論分析

新型高強(qiáng)螺栓壓板錨固型式（如圖1）將傳統(tǒng)螺栓壓板錨固結(jié)構(gòu)按傳力條件分成兩部分，一是錨板與壩袋的連接，二是錨板與橡膠壩底板鋼筋混凝土的連接。第一部分采用高強(qiáng)螺栓連接錨板與壩袋，錨板與壩袋的連接通常采用摩擦連接，原理是通過(guò)擰緊螺母，對(duì)螺桿施加強(qiáng)大而又受控的預(yù)拉力，預(yù)拉力通過(guò)錨板、壓板將橡膠壩袋夾緊，依靠壩袋與錨板間的摩阻力來(lái)承受壩袋的徑向拉力；第二部分使用兩根對(duì)稱布置的錨筋連接錨板與橡膠壩底板鋼筋混凝土，通過(guò)橡膠壩底板鋼筋混凝土對(duì)錨筋括約力提供錨筋的錨固力。

要承受壩袋的徑向拉力，螺栓需要承受的預(yù)拉力較大，若采用普通螺栓，由于強(qiáng)度低，需要的螺栓直徑較大，不經(jīng)濟(jì)，可采用高強(qiáng)螺栓。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，在承受反復(fù)荷載作用下，高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力不會(huì)松弛，螺桿不會(huì)因疲勞而折斷，由于具有耐疲勞，工作安全可靠等特點(diǎn)，高強(qiáng)螺栓已被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)連接中，尤其應(yīng)用于承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu)中。

新型螺栓壓板錨固型式錨筋的受力特點(diǎn)是：錨筋只承受了壩袋的徑向拉力，即錨固件所受的“外力”，由高強(qiáng)螺栓提供錨板對(duì)壩袋的擠壓力來(lái)承受壩袋的錨固力（錨板與壩袋之間的摩阻力），即錨固件所受的“內(nèi)力”。錨筋所受的拉力大大減小，因此，錨筋的直徑可大大減小。另外，由兩根錨筋錨固在底板內(nèi)，能夠較好的承受壩袋拉力產(chǎn)生的彎矩。

圖1 新型螺栓壓板式錨固構(gòu)件示意圖

1.2 實(shí)際工程計(jì)算

1.2.1 錨筋的直徑計(jì)算

根據(jù)傳力預(yù)埋件的計(jì)算公式：

（1）設(shè)α為壩袋與水平方向的夾角。當(dāng)α＝0°時(shí)，埋件為直錨筋式的受剪埋件

錨筋截面積As按下式計(jì)算：

設(shè)錨筋采用 Q235，fy為 210N/mm2；底板混凝土為C25，fc為12.5N/mm2，計(jì)算結(jié)果：壩高為 5m時(shí)錨筋理論截面積 325.3mm2。

（2）當(dāng) α＝90°時(shí)，埋件為拉、彎埋件

錨筋截面積As按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算得：雙錨筋理論截面積622.47mm2。

綜合兩種工況，錨筋選用 2Φ20，實(shí)際截面積628mm2。根據(jù)要求，錨筋長(zhǎng)度選用25d，即50mm。

1.2.2 高強(qiáng)螺栓的計(jì)算

在抗剪工況下，每個(gè)高強(qiáng)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

式中：nf為傳力摩擦面系數(shù)，取1.0；μ為摩擦面的抗滑移系數(shù)，鋼板與橡膠的抗滑移系數(shù)，一般取值0.2～0.4；P為一個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，按表1采用。

表1 一個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力P(kN)

在螺栓桿軸方向受拉的工況下，每個(gè)高強(qiáng)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值取=0.8P。

在同時(shí)承受摩擦面間的剪力、螺栓桿軸方向的外力時(shí)，其承載力按下式計(jì)算：

式中：NV、Nt為高強(qiáng)螺栓所承受的剪力和拉力；為高強(qiáng)螺栓的受剪、受拉承載力設(shè)計(jì)值。

由于壩袋的徑向力是由壓板與橡膠壩袋之間的摩擦力承擔(dān)，故螺栓僅受桿軸方向拉力。故NV=0。適用螺栓型號(hào)見表2：

表2 壩高5m時(shí)螺栓型號(hào)表

因10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓造價(jià)較高，故該橡膠壩選用8.8級(jí)M24的高強(qiáng)螺栓。

2 錨固構(gòu)件及壩底板的模擬

錨固構(gòu)件及壩底板的模擬分析采用ANSYS10.0有限元分析軟件，建模過(guò)程自底向上進(jìn)行實(shí)體建模，從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。然后通過(guò)反復(fù)運(yùn)用布爾運(yùn)算，建成如下圖所示模型，并經(jīng)過(guò)ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，達(dá)到一定求解次數(shù)。

圖2 新型螺栓壓板式錨固構(gòu)件模擬圖

圖3 新型螺栓壓板式錨固底板（單寬）模擬圖

圖2、圖3分別為錨固構(gòu)件及底板的應(yīng)力應(yīng)變模擬圖，由圖可見：正常工況下底板最大應(yīng)變?yōu)?.6mm，最小應(yīng)力為-5.6MPa,最大應(yīng)力為34MPa。

通過(guò)模擬分析，可以看出，采用高強(qiáng)螺栓連接的雙錨筋錨固系統(tǒng)應(yīng)力分布均勻，錨固構(gòu)件及壩底板應(yīng)變均在允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 新型與傳統(tǒng)錨固型式對(duì)比分析

（1）“規(guī)范”推薦的設(shè)計(jì)錨筋為單層錨筋，單層錨筋埋件存在承受彎矩荷載能力差的問題，新型式采用雙錨筋，在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)的螺栓壓板錨固。

（2）新型錨固型式與傳統(tǒng)錨固型式單個(gè)錨固件節(jié)約錨筋長(zhǎng)度44.44%，鋼筋重量65.65%。

（3）由于新型錨固型式埋筋直徑、長(zhǎng)度小于傳統(tǒng)錨固型式，底板厚度可以相應(yīng)減少，減少底板投資。

經(jīng)臨沂市柳杭橡膠壩工程建設(shè)指揮部測(cè)算確認(rèn)，本部分節(jié)約投資約20萬(wàn)元。

4 存在問題與改進(jìn)措施

在具體的實(shí)踐運(yùn)用中存在的問題主要是：錨固的墊板和錨筋間為焊接連接，墊板存在微小的變形，焊接存在加工隱患。

改進(jìn)措施主要為：墊板和錨筋采用熱熔一體化生產(chǎn)加工方式，減少墊板的變形，減少人工焊接的不可靠因素。使錨固件形成成套化，定型化的工廠產(chǎn)品。

[1]高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.172.

[2]SL227-98橡膠壩技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.45.

[3]周氐，章定國(guó)，鈕新強(qiáng).水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.513～519.

[4]GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.