閆衛(wèi)玲， 鄧友生

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇應(yīng)力與變位分析

閆衛(wèi)玲， 鄧友生

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]錨碇為懸橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其受力的合理性關(guān)系著懸索橋在施工與運(yùn)營(yíng)階段的安全性?；谖錆h鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇基礎(chǔ)，運(yùn)用三雛有限元件ADINA對(duì)北錨碇施工過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)錨碇施工完畢后的應(yīng)力與變位進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋錨碇應(yīng)力及變位的大小均滿足規(guī)范要求，北錨碇基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工方案都是合理的。

[關(guān)鍵詞]錨碇； 應(yīng)力； 變位； 有限元

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸及城市建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，一座座大跨徑懸索橋逐漸修起，大多數(shù)己建的大跨度懸索橋都采用重力式錨碇[1-2]。重力式錨碇的基礎(chǔ)一般有沉井、地下連續(xù)墻、擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等形式[3-5]。重力式錨碇的地基反力抵抗了錨塊、基礎(chǔ)與主纜張力的豎向分量，而錨塊與地基的摩阻力平衡了懸索在水平方向的拉力[6-7]。

懸索橋在設(shè)計(jì)和安全校核時(shí)都需要對(duì)錨碇系統(tǒng)進(jìn)行一定的應(yīng)力分析，這不僅是錨碇配筋的依據(jù)，而且為錨碇的安全性評(píng)價(jià)提供參考，尤其需要對(duì)于應(yīng)力集中處進(jìn)行一定的分析[8]。整體來說，懸索橋?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)體系，錨碇的最大水平位移與最大垂直位移必須控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)，才能保證懸索橋結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性[9]。 目前大量學(xué)者對(duì)重力式錨碇進(jìn)行了一定的應(yīng)力與變位分析。吳國(guó)光等人利用有限元軟件ANSYS對(duì)矮寨大橋重力式錨碇進(jìn)行了有限元分析，來研究錨碇的應(yīng)力問題[10]。邵國(guó)建等人利用有限元分析軟件Marc對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋懸索橋北錨碇進(jìn)行了仿真數(shù)值計(jì)算，來研究錨碇在不同的施工階段、錨碇基礎(chǔ)不同部位的接觸應(yīng)力變化[11]。李文勝采用有限元Marc程序?qū)髭M州江大橋西錨碇基礎(chǔ)和地基進(jìn)行了二維有限元數(shù)值模擬分析，得到了錨碇基礎(chǔ)底部應(yīng)力分布規(guī)律、齒坎接觸面的應(yīng)力分布規(guī)律以及周圍地層的塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)[12]。李加平等人采用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了某懸索橋重力式錨碇變位問題[13]。本文研究的錨碇采用圓形沉井與地下連續(xù)墻相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)形式，也有與己建成的懸索橋完全不同的建造環(huán)境(處于城市中心)，值得深入研究。

基于以上內(nèi)容，根據(jù)武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇工程，通過大型通用有限元軟件ADINA，采用三維計(jì)算模型模擬錨碇施工的過程，對(duì)錨碇施工完畢后的應(yīng)力與變位進(jìn)行了分析，驗(yàn)證大橋北錨碇的安全性，為類似工程提供參考。

1工程概況和計(jì)算模型

1.1工程概況

北錨碇沉井為截面為圓環(huán)形且中間圓孔內(nèi)設(shè)有十字隔墻的基礎(chǔ)，小直徑井孔圍繞圓環(huán)內(nèi)圓周一圈布置。八節(jié)沉井總高43 m，第一節(jié)鋼殼混凝土沉井高6 m，第二到六節(jié)鋼筋混凝土沉井高5 m，第七、八節(jié)鋼筋混凝土沉井高6 m。沉井內(nèi)徑41.4 m，第一節(jié)沉井外徑為66.4 mm，其他節(jié)沉井外徑為66 m。第一節(jié)16個(gè)小圓孔直徑為9.1 m，第二節(jié)為8.3 m，其他節(jié)為8.7 m。沉井設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1。

因?yàn)槲挥谑袇^(qū)的北錨碇沉井在下沉過程中吸泥取土?xí)r會(huì)引起周圍建筑物和長(zhǎng)江大堤的變形及滲流穩(wěn)定問題，并且沉井施工中存在翻砂的風(fēng)險(xiǎn)，所以在沉井邊緣外側(cè)10 m處設(shè)一道深55 m、長(zhǎng)270 m、寬0.8 m的圓形地下防護(hù)墻防護(hù)，防護(hù)墻與沉井同圓心，中心半徑為43 m，頂部設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)施工導(dǎo)墻。圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)見圖2。

圖 2　圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)圖

錨體順橋向全長(zhǎng)55.52 m，前端分離，每側(cè)橫向?qū)挒?.12 m。錨塊順橋向長(zhǎng)3725 m，前端寬10.76 m，后端寬16.4 m。壓重塊長(zhǎng)24.7 m，寬16.6 m，前部高17.63 m，后部高17.13 m。錨室側(cè)墻厚0.7 m，前墻厚0.5 m。錨體結(jié)構(gòu)見圖3。

沉井下沉施工采用井內(nèi)除土，依靠沉井自重下沉的方式，下沉最后階段采用空氣幕輔助下沉?？紤]施工工期及地下水位特點(diǎn)，沉井下沉共分三次進(jìn)行，第一次澆筑1、2節(jié)沉井，采用沖吸結(jié)合抓斗法取土下沉9 m；第二次接高3、4、5節(jié)后不排水空氣吸泥下沉14 m；第三次接高6、7、8節(jié)后不排水空氣吸泥取土下沉22 m至設(shè)計(jì)標(biāo)高。沉井井蓋施工完成后，優(yōu)先分8層澆筑鞍部，再分7層澆筑錨塊和壓重

塊，架設(shè)貓道的同時(shí)分8次澆筑側(cè)墻，主纜架設(shè)完成后澆筑前墻及頂蓋板，最后施工錨體附屬設(shè)施。北錨碇沉井下沉到位后，沉井設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+19 m，墩位處地面標(biāo)高約+23 m，沉井地連墻頂標(biāo)高+21 m。根據(jù)施工取土情況判斷，+19至+23 m標(biāo)高地質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)，且地下連續(xù)墻以外修筑有頂面標(biāo)高為+23 m的施工環(huán)形便道。

圖 3　北錨碇錨體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2計(jì)算模型

模型土體邊界取264 m×264 m×90 m。計(jì)算中X軸沿順橋向，位于主橋中心線上，Y軸沿橫橋向，Z軸垂直向上，坐標(biāo)原點(diǎn)在圓形沉井頂部中心上。用固定約束來定義模型底面邊界條件，用滾支約束來定義四個(gè)垂直面的約束條件。此三維模型共包含土體、沉井、連續(xù)墻、封底混凝土、填芯混凝土、蓋板、錨體。本模型中土體分為五層，土體分類及力學(xué)參數(shù)如表1?？紤]幾何和材料非線性，土體采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元。沉井、封底混凝土、填芯、蓋板和上部錨體都采用四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，地下連續(xù)墻采用八點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬。整體模型單元總數(shù)為98 215，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為31 110，基本模擬了結(jié)構(gòu)的特征數(shù)值。三維整體模型圖見圖4。

表1　錨碇區(qū)土體分類及力學(xué)參數(shù)

圖 4　三維整體模型圖

2錨碇施工過程的模擬

為了保證模型的計(jì)算與實(shí)際工程相吻合，提高計(jì)算結(jié)果的精確性，盡量按照實(shí)際施工過程來進(jìn)行模擬。ADINA中錨碇的施工過程可以通過單元生死定義來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算模型共考慮了以下13個(gè)施工階段：

1) 初始地應(yīng)力計(jì)算。

2)澆筑地下連續(xù)墻?！皻⑺馈暗叵逻B續(xù)墻處土體單元，“激活”地下連續(xù)墻單元。

3)下沉一二節(jié)沉井。“殺死”一二節(jié)沉井處土體單元，“激活”一、二節(jié)沉井單元。

4)下沉三、四節(jié)沉井?！皻⑺馈比?、四節(jié)沉井處土體單元，“激活”三、四節(jié)沉井單元。

5)下沉五、六節(jié)沉井?！皻⑺馈蔽?、六節(jié)沉井處土體單元，“激活”五、六節(jié)沉井單元。

6)下沉七、八節(jié)沉井?！皻⑺馈逼?、八節(jié)沉井處土體單元，“激活”七、八節(jié)沉井單元。

7)澆筑封底混凝土?！凹せ睢狈獾谆炷羻卧?。

8)澆筑填芯混凝土?！凹せ睢碧钚净炷羻卧?/p>

9)澆筑錨梁、蓋板?！凹せ睢卞^梁、蓋板混凝土單元。

10)第一層錨體澆筑，厚2 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

11)第二層錨體澆筑，厚3 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

12)第三層錨體澆筑，厚5 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

13)一次澆筑剩余錨體?！凹せ睢笔Ｓ噱^體混凝土單元。

3施工完畢后錨碇應(yīng)力分析

錨碇主應(yīng)力分布云圖見圖5，當(dāng)錨碇澆筑完畢后，上部錨體應(yīng)力分布較下部沉井均勻，分別在側(cè)墻及側(cè)墻和支墩相接處、壓重塊后端懸臂部分出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力，為0～0.12 MPa之間，沉井的前后兩個(gè)中上部側(cè)壁出現(xiàn)了大量的拉應(yīng)力，后側(cè)應(yīng)力變化梯度大于前側(cè)，并且在前后兩側(cè)壁頂部出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力值為1.42 MPa，位于后側(cè)沉井頂部。沉井前后側(cè)底部呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，后端壓應(yīng)力較大，前段壓應(yīng)力較小。這主要是因?yàn)槌辆那鞍雲(yún)^(qū)充填水，后半?yún)^(qū)為混凝土填芯，再加上上部錨體為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，后面為壓重塊，前面為鞍座，使得沉井總體受到偏心荷載，重心偏后，使得沉井后傾。因此在實(shí)際工程中鞍部和壓重塊都設(shè)置了豎向后澆段，可以避免應(yīng)力偏高。另外在沉井底部十字隔墻及隔墻與沉井壁交接處出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，所以在施工時(shí)可以加強(qiáng)對(duì)十字隔墻部分的配筋。

圖 5　沉井錨碇主應(yīng)力分布云圖

圖 6　地連墻主應(yīng)力分布云圖

圖6為地下連續(xù)墻的應(yīng)力分布云圖。地連墻在施工完畢后受到側(cè)壁土壓力，其應(yīng)力值整體大于沉井錨碇的應(yīng)力。由于地連墻中間土體被施加了一定的沉井自重荷載，這對(duì)沉井底部土體產(chǎn)生擠壓，在土體中形成豎向荷載和由土體傳遞至地連墻的橫向荷載，橫向荷載形成對(duì)地連墻墻壁的壓力。由于地連墻深度為55 m，沉井底部下沉深度為43 m，沉井底部所在區(qū)域則為大應(yīng)力分布區(qū)域。沉井封底完成后繼續(xù)其他工步時(shí)荷載仍由沉井底部截面?zhèn)髦镣馏w，因此沉井傳遞來的荷載很容易施加在這一處導(dǎo)致此處應(yīng)力值增加而對(duì)其他區(qū)域的應(yīng)力影響較小，豎向荷載則會(huì)由土體向下傳遞至持力層并分散在土層中，所以最大拉應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在地連墻中下部。由于沉井前輕后重的原因，地連墻的前后兩側(cè)出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，大約在0.8～2.4 MPa之間，且最大拉應(yīng)力位于地連墻后側(cè)，為4.09 MPa，其余區(qū)域拉應(yīng)力均小于0.8 MPa。

此外，北錨碇施工完畢后，錨碇的應(yīng)力大小均符合規(guī)范要求。

4施工完畢后錨碇變位分析

錨碇施工完畢后，所產(chǎn)生的水平位移相對(duì)于豎向位移均較小，所以此處只討論錨碇豎直位移的分布規(guī)律。

圖7為沉井錨碇豎向位移分布云圖，錨碇施工完畢后，出現(xiàn)了一定的沉降，上部錨體和蓋板的沉降值出現(xiàn)了0～5 mm的沉降，小于下部沉井的沉降，且沉井的沉降量自上而下逐步遞減，這是由于底節(jié)沉井下沉較早，隨著上部結(jié)構(gòu)的施工，其變形也趨于穩(wěn)定，此外，沉井后側(cè)的沉降量大于前側(cè)，這是因?yàn)槌辆艿狡暮奢d，后重前輕，加速了沉井的不均勻沉降，而左右兩側(cè)荷載相同，所以左右兩側(cè)的沉降量也基本相同。錨碇的最大豎向變形出現(xiàn)在沉井后側(cè)頂部。

圖8為圓形地連墻豎向位移分布云圖，地連墻的位移充分顯示了墻體與土體的關(guān)系，錨碇施工完成后地連墻出現(xiàn)一定沉降，大多數(shù)為1.5～3 mm之間。

圖 7　沉井錨碇豎向位移分布云圖

圖 8　地連墻豎向位移分布云圖

此外，錨碇各部分的最大豎向位移與水平位移都在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

5結(jié)論

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇施工完成后沉井與地連墻的前后兩側(cè)壁都出現(xiàn)了拉應(yīng)力偏高。因此施工時(shí)注意在錨體的鞍部和壓重塊部設(shè)置后澆段來避免應(yīng)力偏高。另外在沉井底部十字隔墻及隔墻與沉井壁交接處出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，錨體在側(cè)墻及側(cè)墻和支墩相接處、壓重塊后端懸臂部分也出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力，所以在施工時(shí)可加強(qiáng)對(duì)十字隔墻、壓重塊懸臂端處的配筋。錨碇的最大豎向變形出現(xiàn)在沉井后側(cè)頂部。此外，錨碇的應(yīng)力、變位均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明北錨碇基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工方案都是可行的。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Stress and Displacement for the North Anchorage of Yingwuzhou Yangtze River Bridge in Wuhan

YAN Weiling, DENG Yousheng

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Abstract：Anchorage is one of the key structures of suspension bridge, and its proper stress ensures the safety of suspension bridge construction and operation. Based on the north anchorage of Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge, this paper simulated the construction process of north anchorage by using the ADINA software and also analyzed the stress and displacement of Anchorage after the project had been finished. The results indicate that the intensity of stress and displacement of anchorage can satisfy the code requirements, and the design and construction scheme of the north anchorage foundation is reasonable. Keywords： anchorage; stress; displacement; finite elements

[收稿日期]2015-03-31

[基金項(xiàng)目]中鐵大橋局集團(tuán)第六工程有限公司武漢鸚洲長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目

[作者簡(jiǎn)介]閆衛(wèi)玲(1989-)， 女，陜西商洛人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄换A(chǔ)工程

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)02-0093-03

[中圖分類號(hào)]U443

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A