張峰

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)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(jì)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(yù)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(qiáng)度為1770MPa的高強(qiáng)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(jì)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(jì)

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(jì)錨塊形狀，并節(jié)約混凝土用量，采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)。錨固方式為前錨式，預(yù)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(hù)帽）。

預(yù)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(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固在錨體上。預(yù)應(yīng)力鋼束采用鍍鋅鋼絞線，公稱抗拉強(qiáng)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(jìn)行驗(yàn)算，重力式錨碇整體驗(yàn)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(jì)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(fēng)化砂巖或泥巖，采用后者進(jìn)行計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)大的錨體壓重塊外，對基礎(chǔ)前趾附近區(qū)域進(jìn)行了挖空處理。設(shè)計(jì)時建立了整體驗(yàn)算的各項(xiàng)指標(biāo)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(shí)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(dá)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)四面體單元，劃分單元的尺寸約為1m左右。

錨固系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)空間桿單元，采用等效降溫法[5]來模擬預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)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(jì)算出混凝土實(shí)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(diǎn)處建立參考點(diǎn)并耦合前錨面上預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)以及散索鞍支墩頂面節(jié)點(diǎn)[5]。

4.2 計(jì)算荷載

計(jì)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(yù)應(yīng)力：張拉控制應(yīng)力0.65fps，預(yù)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(jì)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(yùn)營期間的應(yīng)力進(jìn)行分析即：工況1，錨碇主體和預(yù)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(yù)壓力作用。工況2：最大主纜力運(yùn)營階段。

通過計(jì)算可以看到：在工況1即預(yù)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(dǎo)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(yù)應(yīng)力張拉后，錨體由于承受了強(qiáng)大的預(yù)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(yù)應(yīng)力和最大主纜力合力作用下，前錨面附近區(qū)域由預(yù)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(jì)算模型沒有建立箱室內(nèi)的倒角。從計(jì)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(jì)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(fù)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(jì)時可以通過設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)對錨體表面區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng),以及對于后錨室頂?shù)撞康膽?yīng)力集中區(qū)域通過進(jìn)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(xì)設(shè)計(jì)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(qiáng)度；對于散索鞍支墩，整體應(yīng)力分布比較均勻且強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

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