懸索橋重力式錨碇設(shè)計和分析

張峰

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 40067）

0 引言

懸索橋的錨碇是將巨大主纜拉力通過重力式錨體、巖洞錨塞體或巖體傳遞給地基的關(guān)鍵構(gòu)件，其關(guān)系到整個橋梁的安全性。通常情況下，對于重力式錨碇，主纜巨大的拉力通過錨固系統(tǒng)和散索鞍支墩分散到錨塊和基礎(chǔ)上。索的水平分力主要由地基的摩阻力平衡，而豎向分力由錨碇自身的重力來平衡。本文以某長江大橋重力式錨碇為例，給出了其整體穩(wěn)定性和局部受力分析結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計的方法。

1 工程概況

某跨越長江的懸索橋主跨理論矢跨比為1/10，根據(jù)地形地質(zhì)條件設(shè)置為不對稱邊跨，橋跨布置為210m+760m+240m，邊中跨比分別為0.27和0.31。主纜采用預制平行鋼絲索股（PPWS），每根主纜中通長索股有112股，邊跨不設(shè)背索。每根索股由91根直徑為5.1mm、公稱抗拉強度為1770MPa的高強度鍍鋅鋼絲組成，全橋共設(shè)兩根主纜，其中心距為27.5m。普通吊索間距為15m，端部吊索間距為20m。索塔采用鋼筋混凝土塔柱結(jié)構(gòu)，外形為門形框架，一側(cè)塔高為121m，另一側(cè)塔高為162m。加勁梁為單跨流線形單箱單室扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形及地質(zhì)狀況，設(shè)計時大橋一側(cè)采用隧道式錨碇，一側(cè)采用重力式錨碇。

2 重力式錨碇設(shè)計

重力式錨碇結(jié)構(gòu)分為錨體和壓重塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室、基礎(chǔ)等部分。

為減少用鋼量，同時合理設(shè)計錨塊形狀，并節(jié)約混凝土用量，采用有粘結(jié)預應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)。錨固方式為前錨式，預應(yīng)力鋼束沿索股發(fā)散方向布置，穿過錨體后錨固于后錨面，前后錨面均為大纜合力線垂直的平面。

索股錨固單元采用兩種類型，錨具分別采用特制的T15－13型和T15－27型錨具（包括錨頭、錨下墊板、螺旋鋼筋、錨頭防護帽）。

預應(yīng)力鋼絞線錨固體系采用主纜絲股與錨體前面的鋼制拉桿相連，拉桿通過連接平板、連接套筒預應(yīng)力鋼絞線錨固在錨體上。預應(yīng)力鋼束采用鍍鋅鋼絞線，公稱抗拉強度1860MPa。雙股錨為Φ15-27鋼絞線及配套錨固連接構(gòu)造。

3 重力式錨碇整體分析

對于重力式錨碇及基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性和安全，將基礎(chǔ)簡化為作用在均質(zhì)地基上不考慮側(cè)壁摩阻力的剛體模型進行驗算，重力式錨碇整體驗算主要包含如下幾個方面。

3.1 地基應(yīng)力

錨碇地基應(yīng)力計算與其他墩臺基礎(chǔ)相似,同時基底應(yīng)力應(yīng)盡量均勻,且不出現(xiàn)大的突變。

3.2 抗傾覆穩(wěn)定性

對于基礎(chǔ)嵌入中風化砂巖或泥巖，采用后者進行計算。

3.3 抗滑穩(wěn)定性

重力式錨碇基礎(chǔ)滑動力主要為主纜力水平分量、基礎(chǔ)后墻回填土壓力等作用。實際抗滑力包含：

（1）基礎(chǔ)底面與地基間的粘結(jié)力，對于混凝土基礎(chǔ)與土和巖石的地基之間，計算時通常不考慮該部分力[4]。

（2）基礎(chǔ)底面與地基間的滑動摩阻力，為有效垂直荷載與摩阻系數(shù)的乘積。

3.4 整體計算結(jié)果

為了平衡主纜拉力對地基產(chǎn)生的傾覆力矩和對地基產(chǎn)生不均勻壓力，重力式錨碇除了設(shè)置強大的錨體壓重塊外，對基礎(chǔ)前趾附近區(qū)域進行了挖空處理。設(shè)計時建立了整體驗算的各項指標與挖空體積大小的關(guān)系，以尋求較為合理的方案。

基底最大和最小壓應(yīng)力以及基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著挖空體積的關(guān)系見圖1。從圖1（a）中可以看出，隨著隨著挖空體積的增加，基底最大壓應(yīng)力先減小后增大，同時地基受力的不均勻性也呈同樣趨勢。實際上地基應(yīng)力狀態(tài)與抗傾覆狀態(tài)相關(guān)，隨著挖空體積的增加抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的趨勢見圖1（b），在挖方體積在3000m3時，抗傾覆系數(shù)達到一個極值，此時基底對應(yīng)的受力狀態(tài)也接近軸心受壓，外力合力作用點接近截面重心，最大應(yīng)力0.52MPa，最小應(yīng)力0.50MPa，滿足地勘提供的地基容許承載力0.8MPa的要求。

圖1 各方案的基底應(yīng)力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由于抗滑動穩(wěn)定系數(shù)計算僅考慮了基底的摩阻力，隨著箱室增大，錨碇重量降低，抗滑動穩(wěn)定系數(shù)也基本上呈現(xiàn)線性減小的趨勢。在挖空體積為3000m3時抗滑動穩(wěn)定系數(shù)為2.2，可以滿足《懸索橋設(shè)計規(guī)范》的要求。

4 重力式錨碇應(yīng)力和變形分析

4.1 有限元模型和邊界條件

由于重力式錨碇為關(guān)于路線中心線的對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計算自由度和提高效率，僅建立錨碇半模型并在對稱面施加對稱約束。錨碇基底嵌入巖石，按固定約束處理。錨體、基礎(chǔ)和散索鞍等均采用二階十節(jié)點四面體單元，劃分單元的尺寸約為1m左右。

錨固系統(tǒng)的預應(yīng)力鋼筋采用兩節(jié)點空間桿單元，采用等效降溫法[5]來模擬預應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，計算方法為：在第1個荷載步對鋼絞線施加張拉力對應(yīng)的等效降溫荷載并計算出混凝土實際應(yīng)力；在后續(xù)荷載步施加外荷載。

為有效模擬主纜散索后力的傳遞過程，在主纜散索鞍理論IP點處建立參考點并耦合前錨面上預應(yīng)力節(jié)點以及散索鞍支墩頂面節(jié)點[5]。

4.2 計算荷載

計算時考慮的主要荷載包含：

（1）自重：混凝土重力密度按26kN/m3考慮。

（2）預應(yīng)力：張拉控制應(yīng)力0.65fps，預應(yīng)力損失按20%的張拉應(yīng)力考慮。

（3）主纜力：最不利荷載組合下最大纜力（單根主纜）。

4.3 計算結(jié)果和分析

由于大跨度懸索橋主纜的恒載占比大，為簡化分析過程僅采用兩種工況對重力式錨碇在施工期間和運營期間的應(yīng)力進行分析即：工況1，錨碇主體和預應(yīng)力施工完成階段，此時主要受錨碇自重以及錨固系統(tǒng)預壓力作用。工況2：最大主纜力運營階段。

通過計算可以看到：在工況1即預應(yīng)力張拉完成時僅有后錨室頂部由于截面出現(xiàn)突變導致了明顯的拉應(yīng)力集中,在工況2即最大主纜力作用下前錨面錨固區(qū)邊緣以及后錨室底部截面突變處的拉應(yīng)力較為集中。

錨體中心切面主壓應(yīng)力：工況1即預應(yīng)力張拉后，錨體由于承受了強大的預壓應(yīng)力作用，主要區(qū)域的主壓應(yīng)力維持在-2.0～-0.5MPa之間;工況2即預應(yīng)力和最大主纜力合力作用下，前錨面附近區(qū)域由預應(yīng)力產(chǎn)生的壓力和主纜產(chǎn)生的拉力基本抵消，整體呈現(xiàn)壓應(yīng)力且維持在-0.5～0MPa之間。后錨面附近應(yīng)力水平幾乎不變，只是壓應(yīng)力分布區(qū)域有所減小。

為簡化和偏安全考慮，計算模型沒有建立箱室內(nèi)的倒角。從計算可以看出：在工況1支墩自重作用以及工況2最大主纜力作用下，箱型基礎(chǔ)墻體應(yīng)力水平都較底。最大主纜力作用下，箱型基礎(chǔ)底板與墻體交界位置附近主拉應(yīng)力僅為0.7MPa左右。箱型基礎(chǔ)墻體與頂板交界位置附近主壓應(yīng)力為1.5MPa左右，滿足受力要求。

從計算可以看到：散索鞍支墩在工況1即成橋自重作用下最大主拉應(yīng)力為0.25MPa，最大主壓應(yīng)力2.0MPa。在工況2即最大主纜力作用下主拉應(yīng)力為0.7MPa，主壓應(yīng)力為4.5MPa。

5 結(jié)語

大跨度懸索橋重力式錨碇雖然受力復雜但結(jié)構(gòu)剛度較大，拉應(yīng)力集中出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)表面區(qū)域，分布厚度較小，在設(shè)計時可以通過設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)對錨體表面區(qū)域進行加強,以及對于后錨室頂?shù)撞康膽?yīng)力集中區(qū)域通過進一步采用圓弧倒角等優(yōu)化處理以減小拉應(yīng)力集中，防止錨體開裂；對于錨體，前后錨面出現(xiàn)了小范圍的壓應(yīng)力集中，詳細設(shè)計時應(yīng)采用符合混凝土局部承壓要求的特制錨具以滿足混凝土抗壓強度；對于散索鞍支墩，整體應(yīng)力分布比較均勻且強度滿足規(guī)范要求。

參考文獻：

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[4]劉明虎.懸索橋重力式錨碇設(shè)計的基本思路[J].公路,1997(7):17-21.

[5]吳祖咸.用等效降溫法模擬預應(yīng)力來實現(xiàn)張弦梁結(jié)構(gòu)找形[J].浙江工業(yè)大學學報,2008(10):586-590.