考虑永久位移的锚索框架减震锚头弹簧组件合理刚度研究

强震作用下预应力框架锚索可能出现内锚段松脱、锚索拉断等震害,在锚头处设置弹簧是一种新型抗震措施,而弹簧刚度的合理选取对改善锚索受力至关重要。建立在锚头处设置弹簧预应力锚索框架的加固基岩-覆盖层边坡三维数值模型,研究边坡在不同峰值加速度、不同持时地震波作用下响应规律,调整锚索-弹簧串联体系等效刚度大小,分析坡体永久位移和锚索轴力减载比随弹簧刚度的非线性变化特征;以控制边坡位移及锚索减载效果为目标,提出弹簧组件的合理刚度确定方法。研究表明:随弹簧刚度降低,缓冲减震作用逐渐显著;坡顶水平加速度受刚度变化影响较小,但当弹簧刚度低于临界值后边坡位移及弹簧变形量急剧增加;以边坡永久位移实际调查经验限值为首要控制条件,结合位移、弹簧峰值行程随刚度变化拟合“直-曲分界点”曲线,以共同确定弹簧刚度下限;同理,依据减载比拟合曲线轴力削减明显区段得出刚度上限,以保证一定工程经济性。针对算例模型取永久位移10 cm、拟合曲线曲率k小于0.002 k max作为直曲分界判断依据,得0.4 g~0.6g强震下弹簧刚度区间为(2.5,3.8)kN/mm,研究方法可为边坡预应力锚固工程抗震设计提供参考。

预应力锚索抗滑桩减震外锚结构振动台模型试验研究

锚索失效会导致锚索桩受力模式突变而造成结构整体倾覆,如何避免地震作用下的锚索动力超载是锚拉型支挡工程抗震亟待解决的问题。基于柔性减震原理在锚索与桩体间的外锚结构处串联缓冲弹簧,按几何比尺1∶15设计并开展桩底铰支的路堑边坡锚索桩振动台模型试验,测试了地震动峰值为0.2 g,0.4g,0.6g条件下锚索轴力、桩后土体加速度和桩身外倾角的时程特性及弹簧缓冲锚头对结构各响应的影响效应,结合锚索拉力频响特征从能量角度探究了弹簧引起轴力减载的作用机制。试验表明:设置弹簧后桩身中部加速度放大系数稍有下降,桩身外倾角普遍超过普通锚索桩,其增幅随峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)加大而趋缓;弹簧锚头桩锚索轴力和应力幅均大幅减小,时程峰值和波动幅值的减载程度一致且与PGA近似呈线性负相关,3种地震量级下减载比分别达65%,57%,46%,以线性累积损伤理论计算得出的锚索疲劳总损伤值下降约2~3个数量级;设置缓冲弹簧能显著削减锚索拉力响应能量,Fourier幅谱呈现带宽收窄、低频集中的频响特征,降低了地震过程中多次加卸载产生的中高频疲劳损伤风险,有效改善锚索受力。