让压环力学性能仿真模拟分析

许刚

摘 要 在岩土领域采用的预应力锚索（杆），在建筑结构中采用的预应力钢筋混凝土，都很好解决了工程问题，但是预应力的施加在具体工程中也出现了一些问题，如经常会出现锚垫板局部受力过大进而导致大变形，结果预应力损失过大而失效，为解决此类问题，提出采用让压环承压，减小预应力的损失。为研究让压环的力学性能以及作用原理，通过有限元分析软件针对不同荷载等级，得出了让压环的力学特性，为此类工程应用提供理论基础。

关键词 让压环；力学性能；MIDAS/GTS分析软件；塑性区

不管是在建筑工程领域，还是在岩土工程领域，对结构施加预应力能够很好的解决了工程问题，如在桥梁工程中，采用预应力钢筋混凝土，大大减轻结构的自重，使得桥梁的跨径变得更大，此外，一定程度上也减少了普通钢筋的用量，进而减少工程造价；另外，岩土支护工程中，采用施加预应力的锚索（杆）已经成为一种非常有效的支护体，并且在该方面的理论研究也非常成熟。因此，在土木工程领域，预应力的应用已越来越广泛，但是，应用的同时也出现一系列的问题，如承压板局部受力过大造成预应力损失大而失效等，本文就该问题提出一种方法，即采用让压环装置，限制承压板的变形，最大限度的减小预应力的损失，并且该方法已经在很多岩土支护工程中起到了很好的效果。

1.三维有限元模型的建立

1.1 MIDAS/GTS分析软件介绍

MIDAS/GTS分析软件主要包括岩土分析（geotechnical analysis）与一般的结构分析（structural analysis），并且两者之间有较大差异。一般的结构分析注重荷载的不确定性，所以在分析时会加载各种荷载，然后对分析结果进行各种组合，最后取各组合中最不利的结果进行设计。

1.2 分析模型的建立

利用Midas/GTS有限元分析软件，对让压环的承载性能进行三维仿真模拟分析，亦即对让压环进行逐级施加荷载，监测其力学性能以及破坏情况，所施加的荷载等级见表1，让丫环力学参数见表2。

所建立的三维有限元模拟如图1所示。

2.总位移分布

在不同等级荷载作用下，通过对让压环水平方向位移的分析，得出当该让压环上的作用荷载超过400MPa时，其就会失效。以下是对让压环总位移的分析，研究其在不同等级荷载作用下的力学特性。总位移分布情况见图2以及表3。

从表2以及图2中，可以看出该让压环在不同等级荷载作用下，其荷载—位移曲线明显存在着拐点，说明其承载能力是有限的，当超过某一值时，在荷载作用下它的变形速度加快，亦即出现塑性变形而破坏。

此外，从让压环的总位移分布图3中可看出，在让压环最大直径处，其变形趋势是表面切向方向，并且当荷载小于500MPa的情况下，总位移的最大值发生在让压环的顶部，而当荷载超过500MPa时，则总位移的最大值发生了转移，亦即发生在让压环的最大外径处，这也表明此时让压环变形加快，进入塑性变形状态，逐渐失去承载能力。

3.最大主应力分布

上面对让压环的位移分析，得出当让压环上的作用荷载超过500MPa时，其变形率明显加快，呈现塑性变形趋势。

以下是对让压环应力状况进行分析。如图4所示。

从以上这些最大主应力分布图中，可以看出：

在不同等级荷载作用下，让压环的应力状态有明显的变化，并且在局部有应力集中现象。亦即，当荷载小于400MPa时，在让压环最大外径处（表面）发生应力集中现象，并且受拉应力作用；当荷载大于400MPa时，应力集中现象不仅仅发生在让压环最大外径处，同样在让压环内部表面曲率明显变化处也出现应力集中现象，并且随着最用荷载的增大，着重应力集中现象更加明显，范围不断扩大，同时其内力也是受拉。当这些应力集中区域的拉应力超过了让压环材料的极限抗拉强度时，则该处就会发生开裂裂隙，逐渐失去承载能力而失效。

根据以上分析并结合让压环材料的极限抗拉强度可知，当让压环上作用的荷载超过400MPa时，让压环表面就会产生裂隙，随着作用载荷的增加而不断发育，最终失去承载力。

4.塑性区分布

在不同等级荷载作用下，让压环上出现塑性区，并且该塑性区的变化情况与作用荷载关系很大。如图5所示。

从让压环上的一些列塑性区分布图可以看出：

当荷载小于400MPa时，最大剪应变主要出现在让压环最大外径的内部，并且范围不大；当荷载超过400MPa时，在让压环最大外径的内部以及外部出现了贯通的塑性区，这表明此时让压环已经进入塑性状态，若继续增大荷载，则让压环将会失去承载能力而失效。

5.结论

在不同等级荷载作用下，结合以上对让压环位移、最大主应力以及塑性区的分析，得出：

（1） 在外荷载作用下，在让压环的表面曲率变化处发生应力集中，并且在让压环最大外径处出现最大拉应力。

（2） 对于本文选定的让压环，当作用荷载超过400MPa时，该让压环的最大外径处进入塑性状态，随着荷载的继续增大，在让压环表面曲率变化处同样出现塑性区。

（3） 使用让压环时，必须结合具体工程设计有针对性的让丫环，使其所承受的荷载不能超过它的屈服点，才能起到更好的作用，亦即本文所选让丫环的屈服点为400MPa，这就为此类工程提供了新思路。

参考文献：

[1] Midas/ GTS 03 Analysis Reference. 北京迈达斯技术有限公司，2007.

[2] 王树仁，张海清：Midas/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其应用. 土木建筑与环境工程，2010，32（1）：12~17.

[3] 刘鸿文. 材料力学. 北京：高等教育出版社，2004.