飛龍湖烏江懸索橋錨碇設計分析

張揚 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懸索橋為背景依托，詳細介紹了該橋的錨碇設計過程。先對錨碇進行抗滑移、抗傾覆等整體穩定計算，再采用有限元分析軟件Midas FEA對余慶岸、遵義岸錨碇進行實體仿真模擬，特別注意的是前支墩與錨體前錨面倒角、后錨面與側壁倒角在鄰近張拉鋼束的擠壓變形下產生拉應力，需進行抗拉配筋設計。

[關鍵詞]：懸索橋; 錨碇; Midas FEA; 應力配筋法

U443.24A

1 工程概況

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

2 錨碇結構類型

懸索橋錨碇根據結構受力方式一般分為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構自身強大重力來平衡主纜拉力的錨碇結構，錨碇主纜在錨碇內通過主纜索股錨頭與錨拉桿相連，再由錨拉桿連接預埋于錨體內的鋼結構錨桿或預應力鋼束來達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。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，從而達到錨碇對主纜的錨固作用。此類錨碇優勢是混凝土用量少、造價低且對錨體周邊環境的擾動很小，前提是對錨碇處地形、地質的要求極高。

巖錨錨碇是由外部混凝土錨墩和植入巖體的預應力錨索群組成，通過群錨帶動圍巖體承載，錨碇中的預應力群錨首先施加預應力于圍巖錨固，然后再承擔來自結構的拉拔荷載，受力狀況較為復雜。

3 錨碇構造設計

重力式錨碇主要由散索鞍支墩、支墩基礎、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，錨塊主要承受預應力錨固系統傳遞的主纜拉力，前錨室、散索鞍支墩、錨塊、散索鞍支墩基礎之間形成了一個完整的空間受力結構，前錨室作為一個封閉空間，對主纜索股起保護作用。余慶岸、遵義岸側錨碇構造如圖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，基礎采用C30混凝土，前錨室采用C30聚丙烯纖維混凝土。

預應力：錨固系統鋼絞線采用低松馳預應力鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa，公稱直徑為15.2 mm。錨固系統預應力錨具采用特制的優質錨具。

拉桿：錨固系統拉桿采用40crNiMoA鋼，螺母、墊圈采用40Cr鋼，連接器采用45號優質碳素結構鋼，錨固系統預埋管道采用無縫鋼管，冷卻管采用直縫電焊鋼管。

3.2 余慶岸錨碇結構形式

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，底面設置了2級平臺。前錨室為變截面實腹形式，支墩采用變截面實心墩。錨塊、散索鞍支墩及基礎施工需采用分層澆筑方法，并在每層混凝土中設置冷卻水管。

3.3 遵義岸錨碇結構形式

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

4 錨碇分析計算

4.1 整體計算

在計算該橋錨碇整體抗滑移時，偏安全不考慮錨體前側基巖的抵抗作用∑HiP（不考慮余慶岸4.39 m、遵義岸25.82 m高范圍內巖石的水平抵抗作用）。分別計算出錨碇各部分（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μ值與標準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定性系數kc=μ∑Pi/∑Hia。

錨碇整體抗傾覆系數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定系數值k0=S/e0，其中e0=（∑Piei+∑Hihi）/∑Pi。

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

另外根據JTG/T D65-05-2015《公路懸索橋設計規范》錨碇整體計算內容還包括主索索股的穩定性計算、運營階段錨碇允許位移計算、錨固系統索體計算、錨固系統拉桿強度計算等內容。

飛龍湖烏江大橋錨碇整體計算主要結果見表1。

4.2 有限元分析

4.2.1 有限元模型

為準確計算錨碇在施工階段和成橋階段的應力分布情況，本文采用大型有限元分析軟件Midas FEA 3.7分別對余慶岸、遵義岸錨碇進行仿真分析。由于同里程側錨碇結構對應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，平直基底固結處理，而后豎斜錨碇面則采用只受壓彈簧邊界進行模擬。余慶岸、遵義岸錨碇有限元模型如圖4、圖5所示。

4.2.2 計算工況

為全面分析錨碇的應力分布情況，需對初張拉錨體內預應力和施加標準組合最大纜索力2種工況分別進行包絡計算，初張拉預應力和纜索力均以面荷載形式加載在有限元模型上，其中預應力荷載沿著前后錨面對應纜索編號方向加載，張拉控制應力為0.65fpk=1209 MPa。本文僅以余慶岸錨碇實體分析為例來介紹錨碇在2種工況下的應力分布情況，計算工況如下所示：

工況一：自重+錨體內初張拉預應力。

工況二：自重+錨體內有效預應力+標準組合最大纜索力（包括前錨面和支墩處索力）+引橋墩底作用力。

4.2.3 余慶岸錨碇計算結果

4.2.3.1 工況一

工況一在剛施加預應力時，前后錨面處存在較大的壓縮變形和局部壓應力，余慶岸錨碇主要計算結果如圖6～圖8所示。圖中應力值拉為正，壓為負。

由圖6～圖8可知，初張拉錨體預應力時，在強大的預應力壓應力作用下：

（1）錨碇整體主拉應力較小，應力極值點為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、后錨面與側壁倒角區域，主要由于在初張拉鋼束時的壓縮變形導致鄰近單元產生拉應力。整個錨碇主拉應力存在超過C40抗拉強度設計值1.65 MPa區域，需進行抗拉配筋設計，未出現超過C40抗拉強度標準值ftk=2.4 MPa的區域，主拉應力滿足規范要求。

（2）錨碇最大主壓應力極值點為-12.46 MPa，分布在前錨面預應力張拉位置，為應力集中區域，小于0.6倍C40抗壓強度標準值（0.6ftk=16.1 MPa），應通過局部承壓計算配置足夠的承壓鋼筋網來分散該區域的壓應力，主壓應力滿足規范要求。

4.2.3.2 工況二

工況二在標準組合最大索力作用下，余慶岸錨碇主要計算結果如圖9～圖11所示。圖中應力值拉為正，壓為負。

由圖9～圖11可知，在標準組合最大纜索力作用下：

（1）錨碇整體主拉應力較小，應力極值點為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、后錨面與側壁倒角處區域，主要由于在纜索力、預應力的壓縮變形導致鄰近單元區域產生拉應力引起。整個錨碇主拉應力存在超過C40抗拉強度設計值1.65 MPa區域，需進行抗拉配筋設計，未出現超過C40抗拉強度標準值ftk=2.4 MPa的區域，主拉應力滿足規范要求。

（2）纜索力與錨體內鋼束的預壓應力疊加后，前錨面主壓應力減小，最大主壓應力出現在前支墩散索鞍處。錨碇最大主壓應力極值點為-11.79 MPa，為應力集中區域，小于0.6倍C40抗壓強度標準值（0.6fck=16.1 MPa），應通過局部承壓計算配置足夠的承壓鋼筋網來分散該區域的壓應力，主壓應力滿足規范要求。

5 應力配筋法配筋設計

5.1 應力配筋法計算原則

對于非桿件體系的鋼筋混凝土結構，SL191-2008《水工混凝土結構設計規范》（以下簡稱“水工規范”）給出了按應力圖形配筋的方法，按照主拉應力在配筋方向投影圖形的總面積計算得到的鋼筋總面積As應滿足（1）式要求：

As≥KTfy（1）

式中：K為承載力安全系數，對應橋涵結構重要性系數，本文取1.1;fy為鋼筋抗拉強度設計值，本文取HRB400鋼筋fsd=330 MPa;T為由鋼筋承擔的拉力設計值，T=ωb;ω為截面主拉應力在配筋方向投影面積的總面積扣除其中拉應力值小于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度設計值，本文取C40混凝土ft=1.65 MPa;b為結構截面寬度，本文取余慶岸支墩倒角處寬度11 m。

并根據JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關規定進行裂縫計算。

5.2 錨碇配筋計算

現以工況一作用下余慶岸錨碇主拉應力較大的前錨面與前支墩處倒角處為例來進行配筋設計說明，該處主拉應力同順橋向，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，繪制該處主拉應力值與沿高度方向的單元尺寸關系如圖13所示。

根據應力圖按照分層總和法計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。初步計算需配置HRB400級d=25 mm鋼筋91根，根據支墩外形尺寸，預配置2排間距15 cm的d=25 mm鋼筋（146根）。

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

Wfk=C1C2C3σssEs（30+d0.28+10ρ）

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

=0.179mm<0.2mm

滿足規范要求。

6 結束語

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

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

（2）有限元分析結果表明，前支墩與前錨面倒角、后錨面與側壁倒角、前支墩散索鞍周邊這幾處在纜索力和預應力的壓縮變形下會產生較大的拉應力，可參考“水工規范”的應力配筋法對該處進行配筋設計和合理的施工順序來減小此處拉應力。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待張拉鋼束完成后再施工前支墩的施工順序來達到減小錨碇局部拉應力的效果。

參考文獻

[1] 余軍思，吳駿，李紅霞. 抵母河大跨懸索橋錨碇設計分析[J]. 中外公路，2017，37（5）：141-144.

[2] 劉秀敏，陳從新，肖國峰，等. 西江特大橋巖錨錨碇的承載特性研究[J]. 巖土力學，2013，34（1）：196-202.

[3] 郭松峰，祁生文，李正熔，等. 云南龍江特大懸索橋錨碇穩定性分析[J]. 工程地質學報，2011，19（6）：909-916.

[4] 李海，鮮亮，姚志安. 國內大跨徑懸索橋錨碇錨固系統比較研究[J]. 公路工程，2011，36（6）：97-101.

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

[6] 張茜茜，丁印成. 彈性應力配筋法在橋梁設計中的應用[J]. 公路，2014，59（7）：154-157

[7] 李連強，楊亮，陳明貴. 關于天津大道墩柱的受力特征及鋼筋合理性布置的探討[J]. 城市道橋與防洪，2010（8）：67-71+265.