基于FLAC 3D的拱橋施工纜索扣地錨受力分析

徐仕倫

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼管混凝土拱橋作為一種優良的鋼混組合橋梁,管內混凝土的填充可提高鋼管的局部穩定性,同樣,鋼管的約束作用可提高管內混凝土的抗壓強度和變形能力[1]。該結構不僅充分發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,伴隨著拱橋技術不斷創新與發展,拱橋以造型優美、結構經濟和施工便捷等優勢在國內得到迅猛發展[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,為后續拱橋跨徑突破700 m大關奠定了堅實的基礎。扣地錨作為鋼管混凝土拱橋纜索吊裝系統中的關鍵性結構,其安全與否關系到整座橋梁是否能安全順利建成,因此有必要對扣地錨展開詳細的結構分析。

有限元程序FLAC 3D軟件在巖土領域的應用較為廣泛[3],其不僅可以模擬連續介質進行非線性大變形分析,還可以模擬地應力場生成,且在后期處理方面,FLAC 3D軟件具有較為明顯的優勢,如操作簡單、成圖清晰、分析數據簡便、文本編譯方便等[4]。因此,本文采用該有限元程序對扣地錨在拱肋纜索吊裝過程中的受力行為展開分析。

1 工程背景

某橋采用中承式鋼管混凝土拱橋方案,計算跨徑為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,扣地錨設計為樁式地錨,其結構形式如圖1所示。主要設計參數有:樁基長6 m,直徑為1.6 m;平臺長17.3 m,寬17.3 m,高1 m;前檔墻長17.3 m,寬2.1 m,高5.5 m;前支撐墻長7.6 m,寬1.7～3.2 m,高2.0～3.0 m;后支撐墻長7.6 m,寬1.7～3.2 m,高3.0～4.3 m;樁基礎每根布置1×10根錨索,單根張拉力為10 t,單束張拉錨固力為100 t。由于該橋橋址區地質構造復雜,需要重點關注地錨在拱肋纜索吊裝過程中結構的受力行為。

圖1 扣地錨結構形式示意圖

2 扣地錨數值模型的建立及參數設置

2.1 三維數值模型的建立

地錨結構根據CAD圖紙進行1∶1還原。周邊土體尺寸為:長×寬×高=200 m×100 m×39 m,土體頂部與地錨前擋土墻頂部齊平。根據工程地質勘察報告,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。地錨結構中的樁、地梁、平臺梁、聯系梁、支撐墻、前擋土墻、扁擔梁以及周邊土體均采用實體單元Zone模擬,整體模型共計包含60 088個節點及106 758個單元,如圖2所示。

圖2 整體模型示意圖

2.2 邊界條件的設置

為了徹底消除邊界效應的影響,模型周邊巖土體尺寸范圍取值較大。由于模型側面及底面對地錨結構變形的影響基本可以忽略不計,因此在分析過程中僅對巖土體的底面及側面進行約束,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 邊界條件設置表

圖3 模型邊界條件示意圖

2.3 接觸面的設置

地錨結構與土體之間的接觸作用通過FLAC 3D軟件內置的接觸單元來模擬,按照接觸面的不同,分別設置地錨結構與土體的側向接觸面與橫向接觸面,接觸面的設置位置如圖4所示。

圖4 接觸面設置示意圖

2.4 巖土體力學參數

根據工程地質勘察報告,本模型的巖土體共分6層設置,各巖土體分層參數值如表2所示。

表2 巖土體分層參數表

2.5 樁-土界面接觸參數

扣地錨結構與土體的摩擦作用通過接觸面來模擬,FLAC 3D軟件中接觸面參數設置包括剪切剛度、法向剛度、粘聚力、內摩擦角,根據經驗,接觸面的法向剛度與側向剛度可取土體彈性模量的10倍,粘聚力及內摩擦角取土體參數的0.8倍,具體參數取值結果如表3所示。

表3 樁-土界面接觸參數表

3 數值模擬計算說明

由于三維數值模型建立之初即包含地錨結構,而實際上在首次地應力平衡過程中是不存在地錨的,因此在首次地應力平衡時將平臺梁以上的地錨結構采用null模型挖除,以方便初始地應力的生成。

安裝地錨的過程通過添加本構模型實現,采用zone cmodel assign命令為地錨結構添加彈性模型并賦予相應參數,同時采用interface單元建立地錨-土層結合面,在此基礎上計算地錨安裝后的應力分布。

扣索及塔架浪風索力按照實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 纜索及浪風最不利荷載索力值表

將上述最不利荷載值在整體坐標系下沿水平方向和豎直方向進行分解,分解后的水平力與豎直力以應力的方式分別施加在扁擔梁及浪風拉索錨固位置,模型力學參數取值如下頁表5所示,模型索力施加結果如下頁圖5所示。

表5 模型力學參數取值表

圖5 模型外荷載施加結果示意圖

4 計算結果

4.1 地層初始地應力及安裝平衡分析

地錨安裝之前,對建立的模型進行初始地應力生成,以模擬地錨周邊土體的初始地應力狀態。模型計算平衡后的初始地應力結果如圖6所示。

圖6 豎向初始地應力云圖(Pa)

地錨自重較大,安裝后會引起周邊土體的應力重分布,為模擬索力施加前地應力的平衡狀態,在地錨安裝后對模型進行了二次平衡計算,地錨安裝后地應力結果如圖7所示。

圖7 地錨安裝后豎向地應力云圖(Pa)

4.2 地錨結構變形及受力分析

地錨的變形是施工現場最為關心的問題,在變形計算過程中,地錨上設置變形監測點,監測點設置如圖8所示。

圖8 變形監測點設置圖

模型計算平衡后,地錨結構變形云圖如圖9所示。提取監測點變形數據,監測點在x、y、z三個方向上的最終穩定變形分別為1.08 mm、0.03 mm、0.73 mm,監測點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。

圖9 地錨結構變形云圖(m)

地錨結構應力云圖如圖10所示。從圖中可以看出,模型平衡穩定后,由于扣索拉力作用,地錨結構在扁擔梁安裝出的三向應力均較大,約為2.6 MPa。

圖10 地錨結構應力云圖(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構附近,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)

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

圖12 周邊土體應力云圖(Pa)

為明確地錨周邊土體在施加索力后的塑性區發展趨勢與最終分布狀態,分別提取平衡計算時步為2 000時步、8 000時步、14 000時步(模型計算達到平衡狀態)時周邊土體的塑性區分布圖,如圖13所示。

圖13 周邊土體應力云圖

從圖13可以看出,在扣索索力和塔架浪風力共同作用下,地錨結構周邊土體小范圍進入塑性狀態,塑性區的發展從地錨結構后方開始,逐漸擴散到地錨結構四周。

5 結語

本文以某鋼管混凝土拱橋纜索吊裝系統中的扣地錨為研究對象,利用FLAC 3D軟件,通過有限元分析的方法對其在最不利外荷載作用下開展結構安全分析。計算結果表明:

(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)拱肋安裝過程中地錨周邊土體有相對微小的變形,雖不足以構成安全隱患,但現場施工時應盡量夯實地錨周邊土體以給地錨提供足夠的反作用力,同時應加強觀測,時刻關注地錨及周邊土體變形發展趨勢。

(3)在鋼管混凝土拱橋施工全周期內,該樁式地錨結構安全。