预应力锚固结构接触界面切向刚度问题研究

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预应力锚固结构在岩土、桥梁与隧道工程等领域中的应用日益广泛,其主要作用是提高结构的承载能力、刚度及稳定性。然而,预应力锚固结构存在预应力损失过大或失效问题,是预应力的设置没有达到设计要求以及结构失效破坏的最主要因素。根据预应力锚固结构的传力特点,本文将锚具与锚垫板之间的接触问题简化为随机粗糙表面间的理论接触模型,结合Hertz理论与GW模型,提出了预应力锚固结构接触界面切向刚度的计算公式,并与修正-MB分形模型的切向刚度解、室外模型试验结果对比分析,证明了本计算公式的适用性与可靠性,为预应力锚固结构有效张拉力的检测原理与方法提供了理论依据。主要成果有以下四个方面:1、根据两球体单峰在法向、切向荷载的共同作用下,考虑局部滑动的条件,利用已知的Hertz应力分布的组合构造单峰接触较为精确合理的应力分布,结合了Hertz接触理论与GW随机表面接触模型,提出了预应力锚固结构接触界面切向刚度的计算公式。研究结果表明:(1)接触界面的摩擦系数对切向接触刚度的影响相对较小;而等效表面粗糙度对切向接触刚度的影响较大。(2)在弹性范围内,接触界面切向静弹性刚度与接触面法向荷载(张拉力)呈非线性的函数关系,并随之增大而增大。2、进行了预应力锚固结构(螺杆螺帽型)接触界面的切向静载试验,测量了在切向荷载作用下锚具与锚下垫板接触界面的相对切向静弹性位移。3、将理论计算公式、切向静载试验与修正-MB分形接触模型得到的锚固结构有效张拉力(法向荷载)与切向接触刚度的关系曲线进行对比分析。结果表明:预应力锚固结构接触界面切向刚度计算公式与切向静载试验结果基本吻合,与修正-MB分形接触模型关于切向刚度的解答呈现一致的规律性。4、阐述了锚固结构接触界面切向刚度问题研究对于预应力锚固结构的有效张拉力检测的意义,并介绍了预应力锚固结构张拉力的检测技术路线、流程与方法。
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