动力荷载下非对称悬索桥隧道式锚碇的稳定性及减振控制理论研究

Compared with gravity anchors, tunnel-type anchor has a greater advantage. At present, more and more domestic and foreign designers like designing tunnel-type anchorage. The tunnel-type anchorage system is the key part to guarantee the safety and stability of the bridge structure. The dynamic instability problems in the tunnel-type anchorage of the suspension bridge are becoming more and more serious under the action of the earthquake and the long-term vehicle load.The theory of dynamic stability and damping control of tunnel-type anchors is an urgent research. Firstly,the numerical simulation and instability test of tunnel-type anchorage on dynamic load are carried out. The time-history curve of the main cable dynamic tension force under earthquake and vehicle load is established, and deformation law and destabilization process of anchor plug body and rock is analyzed by numerical simulation and model test. Scondly,the criterion and failure mode of tunnel-type anchorage instability are established by tangent stiffness matrix and dynamic response method. The steady state of the anchorage system is dynamically monitored by the dynamic strain sensor and magnetocelectric velocity transducers. The influence rules and mechanism of driving and seismic dynamic load parameters on the stability of tunnel-type are analyzed. Finally,based on the Lagrangian equation of variation method, the damping control equation of the tunnel-type anchor under the dynamic load is established. Damper devices suitable for installation of the cable saddle is developed.. The structure meets the demand of structural dynamic stability in the normal operating range.The studies of dynamic load and stability of tunnel-type anchorage will offer technical supports to security and vibration reduction of tunnel-type anchorage.

由于隧道锚相比于传统重力锚具有无法企及的优势，隧道锚越来越受到国内外设计师们的青睐。隧道式锚碇系统是桥梁结构安全性和稳定性的关键部件，在地震和行车等动力荷载作用下隧道锚的动力失稳问题日益突出，因此，隧道锚结构动力稳定性和减振控制理论亟需研究。首先开展了隧道式锚碇在动力荷载作用的数值模拟及失稳试验研究，建立在地震和行车荷载作用下主缆动张拉荷载的时程曲线，并通过数值模拟和模型试验对比分析锚塞体和岩体的变形规律和失稳演变过程。其次通过切线刚度矩阵和动力响应法建立隧道锚动力失稳判别准则和破坏模式。试验布置动应变和磁电式速度传感器，动态监测锚碇系统的稳定状态，分析行车和地震动力荷载参数对隧道锚稳定性的影响规律和机制。最后基于变分法的拉格朗日方程，建立隧道锚在动力荷载下减振控制方程，研制适合安装在散索鞍的阻尼器装置，保证结构在正常使用范围内满足结构动力稳定性的需求，为隧道锚的动力设计提供技术支撑。

由于隧道锚相比于传统重力锚具有无法企及的优势，隧道锚越来越受到国内外设计师们的青睐。隧道式锚碇系统是桥梁结构安全性和稳定性的关键部件，在地震和行车等动力荷载作用下隧道锚的动力失稳问题日益突出，因此，隧道锚结构动力稳定性和减振控制理论亟需研究。针对隧道式锚碇的力学特性，从国内外对夹持效应、破坏机制与稳定性、承载能力及地震作用下的动力响应4个方面的研究成果进行综述。首先开展了隧道式锚碇在动力荷载作用的数值模拟，建立在地震和行车荷载作用下主缆动张拉荷载的时程曲线，并通过数值模拟分析锚塞体和岩体的变形规律和失稳演变过程。其次通过切线刚度矩阵和动力响应法建立隧道锚动力失稳判别准则和破坏模式。最后基于变分法的拉格朗日方程，建立隧道锚在动力荷载下减振控制方程，研制适合安装在散索鞍的阻尼器装置，保证结构在正常使用范围内满足结构动力稳定性的需求。研究结果表明：在夹持效应基础上可以推导出其承载能力公式，而围岩力学参数、锚塞体的楔形角，埋深等因素会对其承载力有不同程度的影响；隧道锚的破坏是自锚塞体底部与围岩的胶结面起，呈喇叭状向上发展；在地震作用下，隧道锚的前锚面的变形大于后锚面。基于Mindlin应力解与峰值剪应力控制理论，在原有锚碇设计参数公式的基础上进行了不同截面形式下承载能力公式的推导以及验证；采用FLAC3D数值模拟的方法对某悬索桥隧道锚在逐级加载下的位移状态进行了分析研究，验证了极限承载能力计算公式的合理性。对于不同截面形式的隧道式锚碇，使用Mindlin应力解考虑其轴向应力是合理的；公式计算得到倒锥台破坏形式和界面摩擦破坏形式下承载力，分析影响其承载力主要因素分别为破裂角和接触面粘聚力，通过数值模拟得到云南普立特大桥隧道锚极限荷载介于21P-24P之间，与计算结果基本一致，对比公式计算结果和位移，可发现隧道式锚碇工作过程呈现明显三阶段，即锚岩协同工作阶段、围岩屈服阶段、围岩拉剪破坏阶段，为隧道锚的动力设计提供技术支撑。