既有橋梁隧道錨受力狀態(tài)分析及健康監(jiān)測重點(diǎn)

呂曹炯1黃貴明2張望勝2葉夢君2

(1.中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司武漢430034;

2.宜昌市虹源公路工程監(jiān)理咨詢有限公司宜昌443000)

摘要采用有限元軟件對壩陵河大橋隧道錨進(jìn)行受力狀態(tài)分析，表明隧道錨整體是穩(wěn)定的，需對局部區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)控。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，需加強(qiáng)監(jiān)控的區(qū)域是前錨室空腔上部、后錨室空腔上部和支墩遠(yuǎn)離錨體一側(cè)的下部；根據(jù)位移計算結(jié)果，需加強(qiáng)監(jiān)控的區(qū)域是支墩及前錨室區(qū)域處圍巖、主纜護(hù)室和后錨室圍巖。根據(jù)計算結(jié)果確定隧道錨運(yùn)營期健康監(jiān)測測點(diǎn)的布設(shè)，并指導(dǎo)實(shí)測數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞懸索橋隧道錨有限元健康監(jiān)測

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.023

收稿日期：2014-10-29

懸索橋是一種柔性結(jié)構(gòu)，跨越能力大，主要包含主梁、纜索、塔墩和錨碇4大部分。通過錨碇將主纜張力傳遞給地基，錨碇的構(gòu)造形式有重力錨、隧道錨和土錨等[1]。其中隧道錨用于節(jié)理較少、巖體力學(xué)性能較好的地方，它是將圍巖與錨碇組成整體共同受力的體系。因此，隧道錨在結(jié)構(gòu)受力上更為合理，且工程量小、工程造價低，在地質(zhì)條件適宜的地區(qū)，是懸索橋錨碇的首選形式[2-3]。

隧道錨持力層距地表較淺，著力直接，巖體穩(wěn)定性好。但要增加隧道錨的錨固力，則需增加錨碇與圍巖接觸面軸向投影面積，現(xiàn)有理論很難描述和解答，其設(shè)計基本采用工程類比法。而室內(nèi)模型試驗(yàn)受邊界條件和成本限制，無法獲得滿意的結(jié)果。相對的，數(shù)值分析方法可以考慮多種工況、材料非線性和幾何非線性等情況，其計算成果更能指導(dǎo)工程實(shí)際，是一種比較理想的研究方法[4-5]。

本文采用有限元軟件建立了壩陵河大橋隧道錨的三維模型，分析了錨碇的應(yīng)力場和位移場分布，以及錨碇的穩(wěn)定性問題。研究結(jié)果對懸索橋隧道錨的施工、設(shè)計及運(yùn)營期健康監(jiān)測測點(diǎn)的布設(shè)及實(shí)測數(shù)據(jù)的分析均具有指導(dǎo)意義。

從上述荷載試驗(yàn)檢測結(jié)果看，其與本文提出的基于長期監(jiān)測信息的橋梁評估結(jié)果相吻合，表明本文提出的基于應(yīng)力監(jiān)測的連續(xù)剛構(gòu)大橋安全評估技術(shù)是切實(shí)可行的。

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1有限元模型

1.1　模型網(wǎng)格劃分

壩陵河大橋隧道錨隧洞軸線總長度80.44m，從垂直地面算起最大深度約95.0m，后端部總寬49m。隧洞總軸線長度為74.34m，其中前錨室軸線長度31.34m，錨塞體軸線長度40.0m，后錨室軸線長度3.0m。隧洞口單洞斷面尺寸為10.0m×10.8m，拱頂半徑5.0m；洞底單洞斷面尺寸為21.0m×25.0m，拱頂半徑10.5m。

在建立有限元模型時，巖體和錨碇均采用實(shí)體單元建立三維地質(zhì)計算模型，模型順橋向長350m，垂直橋梁向?qū)?10m，豎直高度最高處400m。

錨碇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分圖見圖1，從下向上依次為后錨室、錨塞體、前錨室、散索鞍支墩和主纜護(hù)室。

圖1錨碇模型及網(wǎng)格剖分

模型網(wǎng)格剖分采用四面體單元，整個模型共35 365個節(jié)點(diǎn)，16 5518個四面體單元。山體側(cè)設(shè)定為自由邊界，其余側(cè)為設(shè)為固定邊界。

1.2　計算參數(shù)及邊界條件

巖體單元采用摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，錨碇混凝土單元采用彈性本構(gòu)關(guān)系。巖土的主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　巖體物理力學(xué)計算參數(shù)表

錨碇結(jié)構(gòu)散索鞍、支墩及前錨室混凝土等級為C40，錨塞體混凝土等級為C30。錨碇主要承受強(qiáng)大的主纜拉力，每根主纜拉應(yīng)力約為270MPa。實(shí)際模型荷載作如下處理：

(1) 將錨塞體上的預(yù)應(yīng)力作用在錨塞體的前錨面和后錨面上，均布力的大小分別為-3.224MPa(前錨面)和1.034MPa(后錨面)。

(2) 錨塞體承受的主纜拉力均勻作用在前錨面上，均布力的大小為1.832MPa。

(3) 支墩靠近前錨室斜面作用均布力，大小為-1.578MPa。

(4) 公路隧道路面施加均布力為-0.105MPa。

(5) 巖體和錨碇均考慮自重作用，做初始化計算。

2受力狀態(tài)分析

2.1　應(yīng)力場分析

為避免錨碇混凝土結(jié)構(gòu)開裂,驗(yàn)證錨碇結(jié)構(gòu)的安全及耐久性，需要分析巖體和錨碇結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場。錨碇表面水平應(yīng)力sxx分布見圖2。

圖2　錨碇表面水平應(yīng)力s xx分布圖

由圖2可見，錨碇后錨室頂部最大拉應(yīng)力為1.35MPa；前錨室空腔上部最大壓應(yīng)力為-2.22MPa。

巖體和錨體應(yīng)力sxx分量分區(qū)明顯。巖體下部為壓應(yīng)力區(qū)，上部為拉應(yīng)力區(qū)。錨碇后錨室上部為拉應(yīng)力區(qū)，下部為壓應(yīng)力區(qū)；前錨室的上部和下部均為壓應(yīng)力區(qū)。

水平拉應(yīng)力分量syy最大值出現(xiàn)在錨碇支墩前方的巖體上，最大壓應(yīng)力在錨碇后錨室下部。錨碇后錨室上部及主纜護(hù)室兩側(cè)最大拉應(yīng)力為1.73MPa；后錨室下部最大壓應(yīng)力為-4.98MPa。

syy應(yīng)力分量分區(qū)也很明顯。巖體下部主要為壓應(yīng)力區(qū)，右上角及錨碇周圍有拉應(yīng)力區(qū)。錨碇后錨室上部為拉應(yīng)力區(qū)，下部為壓應(yīng)力區(qū)；前錨室靠近支墩、主纜護(hù)室主要為拉應(yīng)力區(qū)。

豎直應(yīng)力分量szz最大拉應(yīng)力的位置在支墩前下部，最大壓應(yīng)力則在巖體底部，約為-10.89MPa。豎直應(yīng)力szz主要為重力作用，較水平應(yīng)力分量syy和sxx都大。

2.2　位移場分析

過大的位移會使結(jié)構(gòu)喪失使用功能，因此，位移監(jiān)測一直以來都是對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析與判定的有力手段。關(guān)鍵斷面水平位移Dx，Dy及豎直位移Dz的分布云圖見圖3～圖8，其中水平位移Dx以垂直向外為正，Dy以向右為正，豎直位移向上為正。

圖3　錨體及圍巖水平位移D x分布剖面圖

圖4　錨碇表面水平位移D x分布圖

由圖3和圖4可見，錨碇和巖體Dx水平位移很小，最大負(fù)位移為-0.18mm，最大正位移為0.19mm。圖中2個錨體Dx位移不對稱，由上部覆蓋的不均勻巖體所致。

圖5　錨體及圍巖水平位移D y分布剖面圖

圖6　錨碇表面水平位移D y分布圖

由圖5可見，水平位移Dy分區(qū)明顯，受主纜拉力的作用，錨體水平位移Dy均為負(fù)值，越靠近錨體位移越大；遠(yuǎn)離錨體30～60m以外圍巖水平變形不大，為0.18mm；上部錨碇周圍巖體在受主纜拉力作用，產(chǎn)生了向左的負(fù)位移，最大位移在主纜護(hù)室位置，為-1.29mm。

由圖6可見，錨碇后錨室底部和前錨室中部的位移最小，接近為0；主纜護(hù)室最大位移為-1.29mm，因?yàn)楹笃谟谢靥钔恋鹊闹?，可以不做特殊處理?/p>

圖7　錨體及圍巖豎直位移D z分布剖面圖

圖8　錨碇表面豎直位移D z分布圖

由圖7和圖8可見，主纜護(hù)室和前錨室最大豎直位移Dz為-1.20mm，該位移由主纜護(hù)室的自重引起，因后期有前臺、回填土的支撐，可以不做特殊處理；在錨塞體和后錨室交接部位，產(chǎn)生最大0.95mm的豎直位移，表明錨塞體有被向上拔的趨勢；遠(yuǎn)離錨碇體的巖體，基本無位移。

2.3　穩(wěn)定性分析

錨碇穩(wěn)定性分析是超大型巖錨式懸索橋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。錨碇受力后的主要穩(wěn)定性問題有：山體整體變形失穩(wěn)破壞和傾覆失穩(wěn)。穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵就是考察錨碇的應(yīng)力場和位移場。

(1) 錨碇體和圍巖的應(yīng)力場，后錨室、前錨室與支墩交接部位以及支墩下部是應(yīng)力集中區(qū)域。在應(yīng)力作用下，支墩的位移趨勢是向上被頂起，后錨室則是順著主纜拉力方向被拔出。

(2) 圍巖的位移場，基本上以錨碇體為中心，形成了一個楔形，整體位移不大，能滿足穩(wěn)定性要求。

(3) 壩陵河大橋隧道錨整體是穩(wěn)定的。

3監(jiān)測重點(diǎn)

由以上受力狀態(tài)分析結(jié)果可以看出：

(1) 隧道錨水平應(yīng)力場的最大值出現(xiàn)在前錨室空腔上部、后錨室空腔上部；最大豎直應(yīng)力場的向上應(yīng)力出現(xiàn)在支墩遠(yuǎn)離錨體一側(cè)的下部。

(2) 水平位移場最大值出現(xiàn)在支墩及前錨室區(qū)域。

(3) 豎直向下位移出現(xiàn)在主纜護(hù)室部位，最大向上位移則在后錨室空腔附近。

根據(jù)以上計算結(jié)果，壩陵河大橋運(yùn)營期隧道錨健康監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域是：

(1) 前錨室空腔上部、后錨室空腔上部和支墩遠(yuǎn)離錨體一側(cè)的下部。

(2) 支墩及前錨室區(qū)域處圍巖、主纜護(hù)室和后錨室圍巖。

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要測量參數(shù)和布設(shè)位置見表2。

表2　隧道錨監(jiān)測系統(tǒng)主要測量參數(shù)和布設(shè)位置

采取的布設(shè)方式見圖9。

圖9　隧道錨運(yùn)營期健康監(jiān)測測點(diǎn)布設(shè)圖

根據(jù)壩陵河大橋運(yùn)營期健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，隧道錨監(jiān)測測點(diǎn)布設(shè)和受力狀態(tài)分析是合理的。

4結(jié)論

(1) 通過數(shù)值分析，確定隧道錨的應(yīng)力場和位移場，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過分析，隧道錨后錨室、前錨室與支墩交接部位以及支墩下部是應(yīng)力集中區(qū)域，錨碇位移不大，結(jié)構(gòu)整體是穩(wěn)定的。

(2) 隧道錨運(yùn)營期健康監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域是：前錨室空腔上部、后錨室空腔上部和支墩遠(yuǎn)離錨體一側(cè)的下部，支墩及前錨室區(qū)域處圍巖、主纜護(hù)室和后錨室圍巖。相應(yīng)區(qū)域應(yīng)布置傳感器進(jìn)行長期監(jiān)測。

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TheAnalysisofForceStateandEmphasisofHealth

MonitoringabouttheAnchorofExistingBridgeandTunnel

Lv Caojiong1,HuangGuiming2,ZhangWangsheng2,YeMengjun2

(1.BridgeScienceResearchInstituteLtd.,ChinaZhongtieMajorBridgeEngineeringGroup,Wuhan430034,China；

2.Hongyuanroadconstructioninspection&managementcorporation,Yichang443000,China)

Abstract：Numerical analysis about force state of the anchor of Balinghe Bridge and tunnel by using finite element software has been performed in this paper. The results show that the anchor of tunnel is stable and partial location needs strengthening monitoring. According to the stress calculating results, the parts which need strengthening monitoring are the upside of former anchor chamber and behind anchor chamber and one side of lower part of buttress which is far from anchor. According to the displacement calculating results, the parts which need strengthening monitoring are the surrounding rock around buttress and former anchor chamber and behind anchor chamber, the protection chamber of main cable. The results of this paper have guiding significance to the measuring point arrangement of health monitoring in operation period and the analysis of measured data of tunnel anchor.

Keywords:suspensionbridge;tunnelanchor;finiteelement;healthmonitoring