徐仕倫

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼管混凝土拱橋作為一種優(yōu)良的鋼混組合橋梁,管內(nèi)混凝土的填充可提高鋼管的局部穩(wěn)定性,同樣,鋼管的約束作用可提高管內(nèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力[1]。該結(jié)構(gòu)不僅充分發(fā)揮了鋼與混凝土這兩種材料的特性,并且極大地方便了拱橋施工。在近三十年里,伴隨著拱橋技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展,拱橋以造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)和施工便捷等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)得到迅猛發(fā)展[2]。尤其是平南三橋的建成,使其一舉成為世界上最大跨徑的鋼管混凝土拱橋,為后續(xù)拱橋跨徑突破700 m大關(guān)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。扣地錨作為鋼管混凝土拱橋纜索吊裝系統(tǒng)中的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu),其安全與否關(guān)系到整座橋梁是否能安全順利建成,因此有必要對(duì)扣地錨展開(kāi)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

有限元程序FLAC 3D軟件在巖土領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[3],其不僅可以模擬連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行非線性大變形分析,還可以模擬地應(yīng)力場(chǎng)生成,且在后期處理方面,FLAC 3D軟件具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),如操作簡(jiǎn)單、成圖清晰、分析數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便、文本編譯方便等[4]。因此,本文采用該有限元程序?qū)鄣劐^在拱肋纜索吊裝過(guò)程中的受力行為展開(kāi)分析。

1 工程背景

某橋采用中承式鋼管混凝土拱橋方案,計(jì)算跨徑為508 m,矢高為123.25 m,矢跨比為1/4.121 7,拱軸線為高次拋物線,采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工,扣地錨設(shè)計(jì)為樁式地錨,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有:樁基長(zhǎng)6 m,直徑為1.6 m;平臺(tái)長(zhǎng)17.3 m,寬17.3 m,高1 m;前檔墻長(zhǎng)17.3 m,寬2.1 m,高5.5 m;前支撐墻長(zhǎng)7.6 m,寬1.7～3.2 m,高2.0～3.0 m;后支撐墻長(zhǎng)7.6 m,寬1.7～3.2 m,高3.0～4.3 m;樁基礎(chǔ)每根布置1×10根錨索,單根張拉力為10 t,單束張拉錨固力為100 t。由于該橋橋址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,需要重點(diǎn)關(guān)注地錨在拱肋纜索吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力行為。

圖1 扣地錨結(jié)構(gòu)形式示意圖

2 扣地錨數(shù)值模型的建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 三維數(shù)值模型的建立

地錨結(jié)構(gòu)根據(jù)CAD圖紙進(jìn)行1∶1還原。周邊土體尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=200 m×100 m×39 m,土體頂部與地錨前擋土墻頂部齊平。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告,從最不利情況考慮,采用有限元程序FLAC 3D軟件建立水平地層模型。地錨結(jié)構(gòu)中的樁、地梁、平臺(tái)梁、聯(lián)系梁、支撐墻、前擋土墻、扁擔(dān)梁以及周邊土體均采用實(shí)體單元Zone模擬,整體模型共計(jì)包含60 088個(gè)節(jié)點(diǎn)及106 758個(gè)單元,如圖2所示。

圖2 整體模型示意圖

2.2 邊界條件的設(shè)置

為了徹底消除邊界效應(yīng)的影響,模型周邊巖土體尺寸范圍取值較大。由于模型側(cè)面及底面對(duì)地錨結(jié)構(gòu)變形的影響基本可以忽略不計(jì),因此在分析過(guò)程中僅對(duì)巖土體的底面及側(cè)面進(jìn)行約束,具體邊界約束條件如表1所示,模型邊界施加如圖3所示。

表1 邊界條件設(shè)置表

圖3 模型邊界條件示意圖

2.3 接觸面的設(shè)置

地錨結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸作用通過(guò)FLAC 3D軟件內(nèi)置的接觸單元來(lái)模擬,按照接觸面的不同,分別設(shè)置地錨結(jié)構(gòu)與土體的側(cè)向接觸面與橫向接觸面,接觸面的設(shè)置位置如圖4所示。

圖4 接觸面設(shè)置示意圖

2.4 巖土體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告,本模型的巖土體共分6層設(shè)置,各巖土體分層參數(shù)值如表2所示。

表2 巖土體分層參數(shù)表

2.5 樁-土界面接觸參數(shù)

扣地錨結(jié)構(gòu)與土體的摩擦作用通過(guò)接觸面來(lái)模擬,FLAC 3D軟件中接觸面參數(shù)設(shè)置包括剪切剛度、法向剛度、粘聚力、內(nèi)摩擦角,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),接觸面的法向剛度與側(cè)向剛度可取土體彈性模量的10倍,粘聚力及內(nèi)摩擦角取土體參數(shù)的0.8倍,具體參數(shù)取值結(jié)果如表3所示。

表3 樁-土界面接觸參數(shù)表

3 數(shù)值模擬計(jì)算說(shuō)明

由于三維數(shù)值模型建立之初即包含地錨結(jié)構(gòu),而實(shí)際上在首次地應(yīng)力平衡過(guò)程中是不存在地錨的,因此在首次地應(yīng)力平衡時(shí)將平臺(tái)梁以上的地錨結(jié)構(gòu)采用null模型挖除,以方便初始地應(yīng)力的生成。

安裝地錨的過(guò)程通過(guò)添加本構(gòu)模型實(shí)現(xiàn),采用zone cmodel assign命令為地錨結(jié)構(gòu)添加彈性模型并賦予相應(yīng)參數(shù),同時(shí)采用interface單元建立地錨-土層結(jié)合面,在此基礎(chǔ)上計(jì)算地錨安裝后的應(yīng)力分布。

扣索及塔架浪風(fēng)索力按照實(shí)際情況下的最不利荷載施加,并將力的作用沿豎直和水平方向分解,扣索及塔架浪風(fēng)在最不利荷載條件下的索力值如表4所示。

表4 纜索及浪風(fēng)最不利荷載索力值表

將上述最不利荷載值在整體坐標(biāo)系下沿水平方向和豎直方向進(jìn)行分解,分解后的水平力與豎直力以應(yīng)力的方式分別施加在扁擔(dān)梁及浪風(fēng)拉索錨固位置,模型力學(xué)參數(shù)取值如下頁(yè)表5所示,模型索力施加結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。

表5 模型力學(xué)參數(shù)取值表

圖5 模型外荷載施加結(jié)果示意圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 地層初始地應(yīng)力及安裝平衡分析

地錨安裝之前,對(duì)建立的模型進(jìn)行初始地應(yīng)力生成,以模擬地錨周邊土體的初始地應(yīng)力狀態(tài)。模型計(jì)算平衡后的初始地應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

圖6 豎向初始地應(yīng)力云圖(Pa)

地錨自重較大,安裝后會(huì)引起周邊土體的應(yīng)力重分布,為模擬索力施加前地應(yīng)力的平衡狀態(tài),在地錨安裝后對(duì)模型進(jìn)行了二次平衡計(jì)算,地錨安裝后地應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖7 地錨安裝后豎向地應(yīng)力云圖(Pa)

4.2 地錨結(jié)構(gòu)變形及受力分析

地錨的變形是施工現(xiàn)場(chǎng)最為關(guān)心的問(wèn)題,在變形計(jì)算過(guò)程中,地錨上設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖8所示。

圖8 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置圖

模型計(jì)算平衡后,地錨結(jié)構(gòu)變形云圖如圖9所示。提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)點(diǎn)在x、y、z三個(gè)方向上的最終穩(wěn)定變形分別為1.08 mm、0.03 mm、0.73 mm,監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向位移最大,其次是z方向,y方向位移較小,基本可忽略不計(jì)。

圖9 地錨結(jié)構(gòu)變形云圖(m)

地錨結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖10所示。從圖中可以看出,模型平衡穩(wěn)定后,由于扣索拉力作用,地錨結(jié)構(gòu)在扁擔(dān)梁安裝出的三向應(yīng)力均較大,約為2.6 MPa。

圖10 地錨結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(Pa)

4.3 周邊土體變形及受力分析

為明確地錨周邊土體的變形特征,提取周邊土體的變形云圖,如圖11所示。從圖11可以看出,周邊土體的變形主要集中在地錨結(jié)構(gòu)附近,周邊土體x向變形最大,約為1.03 mm;z向變形居中,約為0.81 mm;y方向變形最小,約為0.18 mm。

圖11 周邊土體變形云圖(m)

地錨周邊土體的應(yīng)力云圖如圖12所示。從圖中可以看出,由于地錨結(jié)構(gòu)在扣索荷載作用下的位移較小,引起周邊土體在x、y、z三個(gè)方向的應(yīng)力變化也十分微小。

圖12 周邊土體應(yīng)力云圖(Pa)

為明確地錨周邊土體在施加索力后的塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)與最終分布狀態(tài),分別提取平衡計(jì)算時(shí)步為2 000時(shí)步、8 000時(shí)步、14 000時(shí)步(模型計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài))時(shí)周邊土體的塑性區(qū)分布圖,如圖13所示。

圖13 周邊土體應(yīng)力云圖

從圖13可以看出,在扣索索力和塔架浪風(fēng)力共同作用下,地錨結(jié)構(gòu)周邊土體小范圍進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)的發(fā)展從地錨結(jié)構(gòu)后方開(kāi)始,逐漸擴(kuò)散到地錨結(jié)構(gòu)四周。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某鋼管混凝土拱橋纜索吊裝系統(tǒng)中的扣地錨為研究對(duì)象,利用FLAC 3D軟件,通過(guò)有限元分析的方法對(duì)其在最不利外荷載作用下開(kāi)展結(jié)構(gòu)安全分析。計(jì)算結(jié)果表明:

(1)在最不利荷載條件下,該樁式地錨的變形在1 mm左右,屬可控范圍。

(2)拱肋安裝過(guò)程中地錨周邊土體有相對(duì)微小的變形,雖不足以構(gòu)成安全隱患,但現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)盡量夯實(shí)地錨周邊土體以給地錨提供足夠的反作用力,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè),時(shí)刻關(guān)注地錨及周邊土體變形發(fā)展趨勢(shì)。

(3)在鋼管混凝土拱橋施工全周期內(nèi),該樁式地錨結(jié)構(gòu)安全。