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        飛龍湖烏江懸索橋錨碇設(shè)計(jì)分析

        2022-07-10 13:49:04張揚(yáng)宋隨弟李曉秋吉孔東
        四川建筑 2022年3期
        關(guān)鍵詞:懸索橋

        張揚(yáng) 宋隨弟 李曉秋 吉孔東

        [摘? 要]:文章以貴州省遵義至余慶高速公路段飛龍湖烏江680 m懸索橋?yàn)楸尘耙劳校敿?xì)介紹了該橋的錨碇設(shè)計(jì)過程。先對錨碇進(jìn)行抗滑移、抗傾覆等整體穩(wěn)定計(jì)算,再采用有限元分析軟件Midas FEA對余慶岸、遵義岸錨碇進(jìn)行實(shí)體仿真模擬,特別注意的是前支墩與錨體前錨面倒角、后錨面與側(cè)壁倒角在鄰近張拉鋼束的擠壓變形下產(chǎn)生拉應(yīng)力,需進(jìn)行抗拉配筋設(shè)計(jì)。

        [關(guān)鍵詞]:懸索橋; 錨碇; Midas FEA; 應(yīng)力配筋法

        U443.24A

        1 工程概況

        飛龍湖烏江大橋余慶岸位于余慶縣境內(nèi)花山鄉(xiāng),遵義岸位于湄潭縣石連鎮(zhèn)。該橋主跨為680 m單跨鋼桁梁懸索橋,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為24.5 m,主纜計(jì)算跨度為(201+680+178) m,中心間距為27.0 m,垂跨比為1/10,加勁梁為板桁結(jié)合鋼桁梁,門形框架式索塔,鉆孔群樁基礎(chǔ)。兩岸錨碇均采用重力式錨碇,其中引橋3號(hào)、4號(hào)、15號(hào)橋墩立于錨碇上。飛龍湖烏江懸索橋橋型布置如圖1所示。

        2 錨碇結(jié)構(gòu)類型

        懸索橋錨碇根據(jù)結(jié)構(gòu)受力方式一般分為3類:重力式錨碇、隧道式錨碇和巖錨錨碇。

        重力式錨碇指的是主要依靠錨碇結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)大重力來平衡主纜拉力的錨碇結(jié)構(gòu),錨碇主纜在錨碇內(nèi)通過主纜索股錨頭與錨拉桿相連,再由錨拉桿連接預(yù)埋于錨體內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)錨桿或預(yù)應(yīng)力鋼束來達(dá)到主纜拉力分散錨固于錨體的目的。

        隧道式錨碇的隧洞具有洞體傾斜、前小后大的特點(diǎn)。懸索橋主纜通過隧道圍巖對混凝土錨體形成嵌固作用,將主纜拉力傳遞給圍巖,從而達(dá)到錨碇對主纜的錨固作用。此類錨碇優(yōu)勢是混凝土用量少、造價(jià)低且對錨體周邊環(huán)境的擾動(dòng)很小,前提是對錨碇處地形、地質(zhì)的要求極高。

        巖錨錨碇是由外部混凝土錨墩和植入巖體的預(yù)應(yīng)力錨索群組成,通過群錨帶動(dòng)圍巖體承載,錨碇中的預(yù)應(yīng)力群錨首先施加預(yù)應(yīng)力于圍巖錨固,然后再承擔(dān)來自結(jié)構(gòu)的拉拔荷載,受力狀況較為復(fù)雜。

        3 錨碇構(gòu)造設(shè)計(jì)

        重力式錨碇主要由散索鞍支墩、支墩基礎(chǔ)、錨體、前后錨室等幾部分組成。其中散索鞍支墩主要承受由散索鞍傳遞的主纜徑向壓力,錨塊主要承受預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)傳遞的主纜拉力,前錨室、散索鞍支墩、錨塊、散索鞍支墩基礎(chǔ)之間形成了一個(gè)完整的空間受力結(jié)構(gòu),前錨室作為一個(gè)封閉空間,對主纜索股起保護(hù)作用。余慶岸、遵義岸側(cè)錨碇構(gòu)造如圖2、圖3所示。

        3.1 主要材料

        混凝土:錨體、散索鞍支墩采用C40混凝土,基礎(chǔ)采用C30混凝土,前錨室采用C30聚丙烯纖維混凝土。

        預(yù)應(yīng)力:錨固系統(tǒng)鋼絞線采用低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa,公稱直徑為15.2 mm。錨固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨具采用特制的優(yōu)質(zhì)錨具。

        拉桿:錨固系統(tǒng)拉桿采用40crNiMoA鋼,螺母、墊圈采用40Cr鋼,連接器采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,錨固系統(tǒng)預(yù)埋管道采用無縫鋼管,冷卻管采用直縫電焊鋼管。

        3.2 余慶岸錨碇結(jié)構(gòu)形式

        余慶岸錨碇總平面尺寸長寬為61.32 m×43 m,總高度為44.06 m,為增加錨碇的抗滑能力,底面設(shè)置了2級(jí)平臺(tái)。前錨室為變截面實(shí)腹形式,支墩采用變截面實(shí)心墩。錨塊、散索鞍支墩及基礎(chǔ)施工需采用分層澆筑方法,并在每層混凝土中設(shè)置冷卻水管。

        3.3 遵義岸錨碇結(jié)構(gòu)形式

        遵義岸錨碇總平面尺寸為52.67 m×43 m,總高度為44.32 m。前錨室為變截面實(shí)腹形式,側(cè)墻壁厚為0.8 m,頂板壁厚為0.8 m。支墩采用等截面實(shí)心墩。

        4 錨碇分析計(jì)算

        4.1 整體計(jì)算

        在計(jì)算該橋錨碇整體抗滑移時(shí),偏安全不考慮錨體前側(cè)基巖的抵抗作用∑HiP(不考慮余慶岸4.39 m、遵義岸25.82 m高范圍內(nèi)巖石的水平抵抗作用)。分別計(jì)算出錨碇各部分(包括立于錨碇上的橋墩)的豎向力Pi乘以錨碇基底摩擦系數(shù)μ值與標(biāo)準(zhǔn)組合下主纜的最大水平分力∑Hia相比,可得錨碇整體抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc=μ∑Pi/∑Hia。

        錨碇整體抗傾覆系數(shù)k0為錨碇重心距離傾覆軸距離S和所有外力的合力R對基底重心軸的偏心距e0的比值,其中傾覆彎矩包括錨碇各部分重力、引橋支墩反力、主纜纜索力對錨碇重心軸的作用,可得錨碇整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)值k0=S/e0,其中e0=(∑Piei+∑Hihi)/∑Pi。

        其中余慶岸3號(hào)、4號(hào)引橋橋墩立于錨碇上,遵義岸15號(hào)引橋橋墩立于錨碇上,對相應(yīng)岸側(cè)錨碇抗滑移、抗傾覆均起到有利作用。

        另外根據(jù)JTG/T D65-05-2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》錨碇整體計(jì)算內(nèi)容還包括主索索股的穩(wěn)定性計(jì)算、運(yùn)營階段錨碇允許位移計(jì)算、錨固系統(tǒng)索體計(jì)算、錨固系統(tǒng)拉桿強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容。

        飛龍湖烏江大橋錨碇整體計(jì)算主要結(jié)果見表1。

        4.2 有限元分析

        4.2.1 有限元模型

        為準(zhǔn)確計(jì)算錨碇在施工階段和成橋階段的應(yīng)力分布情況,本文采用大型有限元分析軟件Midas FEA 3.7分別對余慶岸、遵義岸錨碇進(jìn)行仿真分析。由于同里程側(cè)錨碇結(jié)構(gòu)對應(yīng)2根主纜左右兩半對稱,本模型僅建立左半部分,在對稱面施加對稱約束,平直基底固結(jié)處理,而后豎斜錨碇面則采用只受壓彈簧邊界進(jìn)行模擬。余慶岸、遵義岸錨碇有限元模型如圖4、圖5所示。

        4.2.2 計(jì)算工況

        為全面分析錨碇的應(yīng)力分布情況,需對初張拉錨體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和施加標(biāo)準(zhǔn)組合最大纜索力2種工況分別進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算,初張拉預(yù)應(yīng)力和纜索力均以面荷載形式加載在有限元模型上,其中預(yù)應(yīng)力荷載沿著前后錨面對應(yīng)纜索編號(hào)方向加載,張拉控制應(yīng)力為0.65fpk=1209 MPa。本文僅以余慶岸錨碇實(shí)體分析為例來介紹錨碇在2種工況下的應(yīng)力分布情況,計(jì)算工況如下所示:

        工況一:自重+錨體內(nèi)初張拉預(yù)應(yīng)力。

        工況二:自重+錨體內(nèi)有效預(yù)應(yīng)力+標(biāo)準(zhǔn)組合最大纜索力(包括前錨面和支墩處索力)+引橋墩底作用力。

        4.2.3 余慶岸錨碇計(jì)算結(jié)果

        4.2.3.1 工況一

        工況一在剛施加預(yù)應(yīng)力時(shí),前后錨面處存在較大的壓縮變形和局部壓應(yīng)力,余慶岸錨碇主要計(jì)算結(jié)果如圖6~圖8所示。圖中應(yīng)力值拉為正,壓為負(fù)。

        由圖6~圖8可知,初張拉錨體預(yù)應(yīng)力時(shí),在強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力壓應(yīng)力作用下:

        (1)錨碇整體主拉應(yīng)力較小,應(yīng)力極值點(diǎn)為2.36 MPa,超過1 MPa的單元占比比例僅為0.3%,分布在前支墩與錨體前錨面倒角、后錨面與側(cè)壁倒角區(qū)域,主要由于在初張拉鋼束時(shí)的壓縮變形導(dǎo)致鄰近單元產(chǎn)生拉應(yīng)力。整個(gè)錨碇主拉應(yīng)力存在超過C40抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65 MPa區(qū)域,需進(jìn)行抗拉配筋設(shè)計(jì),未出現(xiàn)超過C40抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.4 MPa的區(qū)域,主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

        (2)錨碇最大主壓應(yīng)力極值點(diǎn)為-12.46 MPa,分布在前錨面預(yù)應(yīng)力張拉位置,為應(yīng)力集中區(qū)域,小于0.6倍C40抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(0.6ftk=16.1 MPa),應(yīng)通過局部承壓計(jì)算配置足夠的承壓鋼筋網(wǎng)來分散該區(qū)域的壓應(yīng)力,主壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

        4.2.3.2 工況二

        工況二在標(biāo)準(zhǔn)組合最大索力作用下,余慶岸錨碇主要計(jì)算結(jié)果如圖9~圖11所示。圖中應(yīng)力值拉為正,壓為負(fù)。

        由圖9~圖11可知,在標(biāo)準(zhǔn)組合最大纜索力作用下:

        (1)錨碇整體主拉應(yīng)力較小,應(yīng)力極值點(diǎn)為2.2 MPa,超過1 MPa的單元占比比例僅為0.3%,分布在前支墩散索鞍周邊、前支墩與前錨面倒角、后錨面與側(cè)壁倒角處區(qū)域,主要由于在纜索力、預(yù)應(yīng)力的壓縮變形導(dǎo)致鄰近單元區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力引起。整個(gè)錨碇主拉應(yīng)力存在超過C40抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65 MPa區(qū)域,需進(jìn)行抗拉配筋設(shè)計(jì),未出現(xiàn)超過C40抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.4 MPa的區(qū)域,主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

        (2)纜索力與錨體內(nèi)鋼束的預(yù)壓應(yīng)力疊加后,前錨面主壓應(yīng)力減小,最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在前支墩散索鞍處。錨碇最大主壓應(yīng)力極值點(diǎn)為-11.79 MPa,為應(yīng)力集中區(qū)域,小于0.6倍C40抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(0.6fck=16.1 MPa),應(yīng)通過局部承壓計(jì)算配置足夠的承壓鋼筋網(wǎng)來分散該區(qū)域的壓應(yīng)力,主壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

        5 應(yīng)力配筋法配筋設(shè)計(jì)

        5.1 應(yīng)力配筋法計(jì)算原則

        對于非桿件體系的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“水工規(guī)范”)給出了按應(yīng)力圖形配筋的方法,按照主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積計(jì)算得到的鋼筋總面積As應(yīng)滿足(1)式要求:

        As≥KTfy(1)

        式中:K為承載力安全系數(shù),對應(yīng)橋涵結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),本文取1.1;fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,本文取HRB400鋼筋fsd=330 MPa;T為由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值,T=ωb;ω為截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影面積的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45 ft后的圖形面積,但扣除面積不宜超過總面積的30%,其中ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,本文取C40混凝土ft=1.65 MPa;b為結(jié)構(gòu)截面寬度,本文取余慶岸支墩倒角處寬度11 m。

        并根據(jù)JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行裂縫計(jì)算。

        5.2 錨碇配筋計(jì)算

        現(xiàn)以工況一作用下余慶岸錨碇主拉應(yīng)力較大的前錨面與前支墩處倒角處為例來進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)說明,該處主拉應(yīng)力同順橋向,提取支墩中心處沿著高度方向每間隔0.25 m的主拉應(yīng)力剖面如圖12所示。對于C40混凝土,取0.45ft=0.45×1.65=0.7425 MPa,繪制該處主拉應(yīng)力值與沿高度方向的單元尺寸關(guān)系如圖13所示。

        根據(jù)應(yīng)力圖按照分層總和法計(jì)算得到圖形陰影面積為1.211 (N·m)/mm2,則有T=ωb=1.211×106×11=13.321×106N,代入式(1)有:As≥KT/fy=1.1×13.321×106/330=44403 mm2。初步計(jì)算需配置HRB400級(jí)d=25 mm鋼筋91根,根據(jù)支墩外形尺寸,預(yù)配置2排間距15 cm的d=25 mm鋼筋(146根)。

        從Midas FEA中積分出最大應(yīng)力向下0.832 m支墩橫斷面范圍內(nèi)順橋向軸拉內(nèi)力N=9600 kN,計(jì)算得鋼筋應(yīng)力有:σss=N/(n×Ass)=9600×1000/(146×490.90)=134.0 MPa。帶入規(guī)范相關(guān)裂縫計(jì)算公式有:

        Wfk=C1C2C3σssEs(30+d0.28+10ρ)

        =1.0×1.5×1.1×134.0200000(30+250.28+10×0.006)

        =0.179mm<0.2mm

        滿足規(guī)范要求。

        6 結(jié)束語

        通過對飛龍湖烏江懸索橋余慶岸、遵義岸重力式錨碇進(jìn)行詳細(xì)的整體和有限元實(shí)體仿真分析,得到的主要結(jié)論如下所示。

        (1)兩岸錨碇抗滑移、抗傾覆、錨碇允許位移、錨固系統(tǒng)索體抗拉、主纜索股錨杯抗剪等整體驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

        (2)有限元分析結(jié)果表明,前支墩與前錨面倒角、后錨面與側(cè)壁倒角、前支墩散索鞍周邊這幾處在纜索力和預(yù)應(yīng)力的壓縮變形下會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,可參考“水工規(guī)范”的應(yīng)力配筋法對該處進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和合理的施工順序來減小此處拉應(yīng)力。該橋通過配置較大直徑的普通鋼筋和先施工錨體和支墩基礎(chǔ)待張拉鋼束完成后再施工前支墩的施工順序來達(dá)到減小錨碇局部拉應(yīng)力的效果。

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