懸索橋重力式錨碇設計和分析

張峰

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，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鍵構件，其關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和散索鞍支墩分散到錨塊和基礎上。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，給出了其整體穩定性和局部受力分析結果及優化設計的方法。

1 工程概況

某跨越長江的懸索橋主跨理論矢跨比為1/10，根據地形地質條件設置為不對稱邊跨，橋跨布置為210m+760m+240m，邊中跨比分別為0.27和0.31。主纜采用預制平行鋼絲索股（PPWS），每根主纜中通長索股有112股，邊跨不設背索。每根索股由91根直徑為5.1mm、公稱抗拉強度為1770MPa的高強度鍍鋅鋼絲組成，全橋共設兩根主纜，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構，外形為門形框架，一側塔高為121m，另一側塔高為162m。加勁梁為單跨流線形單箱單室扁平鋼箱梁結構，根據地形及地質狀況，設計時大橋一側采用隧道式錨碇，一側采用重力式錨碇。

2 重力式錨碇設計

重力式錨碇結構分為錨體和壓重塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室、基礎等部分。

為減少用鋼量，同時合理設計錨塊形狀，并節約混凝土用量，采用有粘結預應力鋼絞線錨固系統。錨固方式為前錨式，預應力鋼束沿索股發散方向布置，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、錨頭防護帽）。

預應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、連接套筒預應力鋼絞線錨固在錨體上。預應力鋼束采用鍍鋅鋼絞線，公稱抗拉強度1860MPa。雙股錨為Φ15-27鋼絞線及配套錨固連接構造。

3 重力式錨碇整體分析

對于重力式錨碇及基礎的整體穩定性和安全，將基礎簡化為作用在均質地基上不考慮側壁摩阻力的剛體模型進行驗算，重力式錨碇整體驗算主要包含如下幾個方面。

3.1 地基應力

錨碇地基應力計算與其他墩臺基礎相似,同時基底應力應盡量均勻,且不出現大的突變。

3.2 抗傾覆穩定性

對于基礎嵌入中風化砂巖或泥巖，采用后者進行計算。

3.3 抗滑穩定性

重力式錨碇基礎滑動力主要為主纜力水平分量、基礎后墻回填土壓力等作用。實際抗滑力包含：

（1）基礎底面與地基間的粘結力，對于混凝土基礎與土和巖石的地基之間，計算時通常不考慮該部分力[4]。

（2）基礎底面與地基間的滑動摩阻力，為有效垂直荷載與摩阻系數的乘積。

3.4 整體計算結果

為了平衡主纜拉力對地基產生的傾覆力矩和對地基產生不均勻壓力，重力式錨碇除了設置強大的錨體壓重塊外，對基礎前趾附近區域進行了挖空處理。設計時建立了整體驗算的各項指標與挖空體積大小的關系，以尋求較為合理的方案。

基底最大和最小壓應力以及基礎抗傾覆穩定系數隨著挖空體積的關系見圖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。實際上地基應力狀態與抗傾覆狀態相關，隨著挖空體積的增加抗傾覆穩定系數的趨勢見圖1（b），在挖方體積在3000m3時，抗傾覆系數達到一個極值，此時基底對應的受力狀態也接近軸心受壓，外力合力作用點接近截面重心，最大應力0.52MPa，最小應力0.50MPa，滿足地勘提供的地基容許承載力0.8MPa的要求。

圖1 各方案的基底應力和抗傾覆穩定系數

由于抗滑動穩定系數計算僅考慮了基底的摩阻力，隨著箱室增大，錨碇重量降低，抗滑動穩定系數也基本上呈現線性減小的趨勢。在挖空體積為3000m3時抗滑動穩定系數為2.2，可以滿足《懸索橋設計規范》的要求。

4 重力式錨碇應力和變形分析

4.1 有限元模型和邊界條件

由于重力式錨碇為關于路線中心線的對稱結構，為了減少計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、基礎和散索鞍等均采用二階十節點四面體單元，劃分單元的尺寸約為1m左右。

錨固系統的預應力鋼筋采用兩節點空間桿單元，采用等效降溫法[5]來模擬預應力對結構的影響，計算方法為：在第1個荷載步對鋼絞線施加張拉力對應的等效降溫荷載并計算出混凝土實際應力；在后續荷載步施加外荷載。

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點處建立參考點并耦合前錨面上預應力節點以及散索鞍支墩頂面節點[5]。

4.2 計算荷載

計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）預應力：張拉控制應力0.65fps，預應力損失按20%的張拉應力考慮。

（3）主纜力：最不利荷載組合下最大纜力（單根主纜）。

4.3 計算結果和分析

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營期間的應力進行分析即：工況1，錨碇主體和預應力施工完成階段，此時主要受錨碇自重以及錨固系統預壓力作用。工況2：最大主纜力運營階段。

通過計算可以看到：在工況1即預應力張拉完成時僅有后錨室頂部由于截面出現突變導致了明顯的拉應力集中,在工況2即最大主纜力作用下前錨面錨固區邊緣以及后錨室底部截面突變處的拉應力較為集中。

錨體中心切面主壓應力：工況1即預應力張拉后，錨體由于承受了強大的預壓應力作用，主要區域的主壓應力維持在-2.0～-0.5MPa之間;工況2即預應力和最大主纜力合力作用下，前錨面附近區域由預應力產生的壓力和主纜產生的拉力基本抵消，整體呈現壓應力且維持在-0.5～0MPa之間。后錨面附近應力水平幾乎不變，只是壓應力分布區域有所減小。

為簡化和偏安全考慮，計算模型沒有建立箱室內的倒角。從計算可以看出：在工況1支墩自重作用以及工況2最大主纜力作用下，箱型基礎墻體應力水平都較底。最大主纜力作用下，箱型基礎底板與墻體交界位置附近主拉應力僅為0.7MPa左右。箱型基礎墻體與頂板交界位置附近主壓應力為1.5MPa左右，滿足受力要求。

從計算可以看到：散索鞍支墩在工況1即成橋自重作用下最大主拉應力為0.25MPa，最大主壓應力2.0MPa。在工況2即最大主纜力作用下主拉應力為0.7MPa，主壓應力為4.5MPa。

5 結語

大跨度懸索橋重力式錨碇雖然受力復雜但結構剛度較大，拉應力集中出現在結構表面區域，分布厚度較小，在設計時可以通過設置防裂鋼筋網對錨體表面區域進行加強,以及對于后錨室頂底部的應力集中區域通過進一步采用圓弧倒角等優化處理以減小拉應力集中，防止錨體開裂；對于錨體，前后錨面出現了小范圍的壓應力集中，詳細設計時應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度；對于散索鞍支墩，整體應力分布比較均勻且強度滿足規范要求。

參考文獻：

[1]JTGD65—2015,公路懸索橋設計規范[S].

[2]蘇靜波.懸索橋錨碇基礎的穩定性分析[J].公路,2005(4):61-65.

[3]JTGD63—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[4]劉明虎.懸索橋重力式錨碇設計的基本思路[J].公路,1997(7):17-21.

[5]吳祖咸.用等效降溫法模擬預應力來實現張弦梁結構找形[J].浙江工業大學學報,2008(10):586-590.