新型板樁復(fù)合式錨碇初步變位分析

黃彩華， 殷永高

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)也在不斷進(jìn)步，在大跨度橋梁建設(shè)方面，懸索橋由于其受力明確，跨越能力大且線形優(yōu)美而備受推崇[1]。目前，已建成的跨度在千米以上的橋梁大多采用懸索橋形式，其中，日本的明石海峽大橋主跨1 991 m,是當(dāng)前世界上跨度最大的懸索橋。對于懸索橋來說，錨碇是主要的承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著將主纜拉力傳遞給地基的作用，而主纜拉力通常較大，所以錨碇是保證懸索橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵部分[2]。懸索橋錨碇形式主要分為重力式錨碇和隧道式錨碇。當(dāng)下懸索橋選用較多的為重力式錨碇，重力式錨碇根據(jù)基礎(chǔ)類型可分為直接基礎(chǔ)型和人工基礎(chǔ)型。其中人工基礎(chǔ)又可分為沉井、沉箱以及地下連續(xù)墻等[3]。隨著懸索橋建設(shè)的快速發(fā)展，對懸索橋錨碇的要求也隨之提高。傳統(tǒng)的重力式錨碇由于未能充分發(fā)揮土體抗力及土體與錨碇的摩擦力作用，存在錨碇體積大、材料利用率低等問題，造成工程量大、經(jīng)濟(jì)效益差。如何對傳統(tǒng)的重力式錨碇結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新，在原有的錨碇基礎(chǔ)形式上做出改進(jìn)，帶動和利用地基的承載性能來提升重力式錨碇結(jié)構(gòu)本身的變形和承載性能，并帶來經(jīng)濟(jì)效益的提高，有著重要的研究意義。殷永高等[4,5]等根據(jù)已有的關(guān)于厚覆蓋層地區(qū)錨碇基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，在對沉井重力式錨碇的受力機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新型懸索橋錨碇基礎(chǔ)形式-根式錨碇基礎(chǔ),為今后同類工程施工提供了一種新的思路。本文針對G3銅陵長江公鐵大橋南錨碇提出了一種新型板樁復(fù)合式錨碇方案，通過數(shù)值模擬分析方法，分析了不同錨碇施工結(jié)束以及懸索橋運(yùn)營狀態(tài)下該錨碇的變位情況，初步驗(yàn)證該錨碇方案的可行性。

1 工程概況

G3銅陵長江公鐵大橋是既有的銅陵長江公路大橋的替代工程，主橋設(shè)計(jì)方案擬選用懸索斜拉協(xié)作體系，本文研究的對象-新型板樁復(fù)合式錨碇為該橋南錨碇初步設(shè)計(jì)方案。該錨碇基礎(chǔ)總長60 m，總寬75 m，基礎(chǔ)高24 m。基礎(chǔ)下部前端設(shè)7道板樁，板樁寬1.2 m，間距12 m。板樁復(fù)合式錨碇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。板樁基礎(chǔ)、錨體以及承臺均采用C35混凝土，主要土層參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)表

圖1 板樁復(fù)合式錨碇結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模型的建立

本文使用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模型假定巖體為各向同性的均質(zhì)巖體，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，錨碇結(jié)構(gòu)采用彈性材料模擬，土體與錨碇結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬。錨碇基礎(chǔ)網(wǎng)格模型如圖3所示，整體網(wǎng)格模型如圖4所示。網(wǎng)格模型建立后需要對模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，物理參數(shù)的選取如表1所示。模型建立后，主要對錨碇1施工完畢及運(yùn)營階段這兩種工況進(jìn)行模擬，分析其變位規(guī)律，驗(yàn)證板樁復(fù)合式錨碇方案的可行性。

圖3 錨碇基礎(chǔ)網(wǎng)格模型

圖4 整體網(wǎng)格模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 錨碇施工完畢時數(shù)值模擬分析結(jié)果

在錨體施工結(jié)束主纜力尚未施加時，錨碇主體部分以及壓重塊會使得整個錨碇結(jié)構(gòu)受到偏心荷載的作用，可能會導(dǎo)致錨碇結(jié)構(gòu)后傾，發(fā)生較大變位。故有必要通過數(shù)值模擬對該階段的錨碇變位情況進(jìn)行分析，對其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

圖5與圖6分別為板樁復(fù)合式錨碇施工完畢后錨碇與土體的豎向位移云圖及水平位移云圖。由圖5可以看出，板樁復(fù)合式錨碇在錨體及壓重塊自重作用下，錨碇基礎(chǔ)后方沉降較大，前方沉降較小，錨碇承臺發(fā)生轉(zhuǎn)動，錨碇結(jié)構(gòu)后傾，土體整體下沉。由圖6可以看出，錨碇結(jié)構(gòu)在自重偏心荷載作用下，向后發(fā)生水平位移，但位移量較小，承臺水平位移小于1 mm，可忽略不計(jì)。

圖5 板樁復(fù)合式錨碇施工完畢后錨碇與土體豎向位移云圖

圖6 板樁復(fù)合式錨碇施工完畢后錨碇與土體水平位移云圖

錨碇施工結(jié)束后承臺的豎向位移曲線如圖7所示，可以看出，承臺后端的沉降值最大，為13.544 mm，前端沉降值最小，為9.194 mm。

圖7 錨碇施工結(jié)束承臺的豎向位移曲線

3.2 運(yùn)營階段主纜拉力作用下數(shù)值模擬分析結(jié)果

板樁復(fù)合式錨碇在運(yùn)營狀態(tài)下受到主纜拉力作用，本工程中兩根索的總索力為7.65×106kN,與水平方向夾角為28.3°在錨體及壓重塊以及主纜拉力共同作用下，錨碇基礎(chǔ)運(yùn)營階段的FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果如下。圖8與圖9分別為錨碇接觸運(yùn)營階段錨碇與土體的水平位移云圖及豎向位移云圖。

圖8 運(yùn)營階段錨碇與土體水平位移云圖

圖9 運(yùn)營階段錨碇與土體豎向位移云圖

由圖8可以看出，板樁復(fù)合式錨碇基礎(chǔ)在運(yùn)營狀態(tài)主纜拉力作用下，承臺及板樁基礎(chǔ)的水平位移較為均勻，可以認(rèn)為錨碇整體的水平位移基本一致。其中承臺頂部水平位移為14 mm,板樁基礎(chǔ)底部水平位移9.5 mm。板樁基礎(chǔ)周圍巖土體的變位較大，充分發(fā)揮了抵抗錨碇水平變位的作用，由此說明，板樁基礎(chǔ)起到了預(yù)期效果。

由圖9可以看出，懸索橋正常運(yùn)營階段，在錨碇后方錨體與壓重塊的偏心壓力及主纜拉力共同作用下，錨碇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，承臺前端沉降12.9 mm,后端沉降2.8 mm，錨碇結(jié)構(gòu)前傾，圖10為運(yùn)營階段承臺的豎向位移曲線。

圖10 運(yùn)營階段承臺的豎向位移曲線

4 板樁復(fù)合式錨碇可行性探討

本文通過使用FLAC3D對新型板樁復(fù)合式錨碇進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要對該錨碇在錨碇施工完成階段以及運(yùn)營階段的變位規(guī)律進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，板樁復(fù)合式錨碇在錨碇施工完成階段，由于錨體及壓重的偏心荷載作用，錨碇后傾，錨碇后端最大沉降為13.544 mm，水平變位較小，可忽略不計(jì)；在運(yùn)營階段，在主纜拉力作用下，錨碇由后傾變位前傾，錨碇前端最大沉降為12.9 mm，此外，在主纜拉力的水平分力作用下，錨碇發(fā)生水平位移，承臺頂部水平變位為14 mm。

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，運(yùn)營階段錨碇允許水平變位不宜大于0.0001倍主跨跨徑，豎向變位不宜大于0.0002倍的主跨跨徑。銅陵長江公鐵大橋主跨為988 m。參照此規(guī)范可確定出錨碇的水平位移限制為Δx=10 cm，豎向位移限值Δy=20 cm。根據(jù)模擬結(jié)果，錨碇施工完成階段以及運(yùn)營階段的兩種工況下，錨碇的變位均滿足規(guī)范要求，故從變位控制角度來看，板樁復(fù)合式錨碇方案是可行的。