纜索吊裝索鞍一體式新型組合式錨碇力學性能研究

李志鋒 刁錫鋼 張謝東 陳小佳

(1.武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063; 2.四川省交通建設集團股份有限公司 成都 610041)

錨碇作為懸索橋中關鍵的組成結構,承擔著來自纜索的巨大荷載[1-2]。錨碇結構的承載能力及穩定性將直接影響橋梁施工的安全進行。

錨碇結構大多根據所在工程的實際地形條件限制進行選擇設計,但由于橋梁的跨徑逐漸增大,單一的巖錨結構已經不能滿足復雜的工程,因此越來越多的工程將錨碇結構進行組合設計[3-4],以抵抗較大的主纜荷載。目前,針對錨碇的研究主要是通過數值模擬[5-7]及現場或室內試驗[8-9]對錨碇的承載能力進行分析,但現階段針對樁基-承臺-巖錨錨索組合的新型組合式錨碇的研究較少。本文分析的新型組合式錨碇在實際工程中為首次運用,因此對其開展受力性能研究十分有必要。

本文采用midas GTS NX有限元軟件對不同荷載組合狀態下新型組合式錨碇受力進行數值模擬,并與實測結果進行對比分析,以此對新型組合式錨碇的力學性能進行研究。

1 新型組合式錨碇的特點

根據作用機理的不同,錨碇分為大量混凝土自重分擔荷載的重力式錨固及通過巖體協同受力的巖石錨固,而巖石錨固主要分為隧道式和巖錨式。重力式錨碇的作用機理是依靠自身重力以及與巖體的摩阻力共同平衡主纜荷載,但重力式錨塊需要進行開挖大體積巖體,對山體的整體平衡及自然環境的破壞較大,且對于某些陡峭邊坡施工難度較大。隧道式錨碇的作用機理能夠充分利用巖體的承載力,與巖體共同承擔主纜荷載,但由于開挖過程中要進行大量出渣等工序,對場地交通等條件有一定的要求。

錨碇用于纜索吊裝主纜時,通常需要設置塔柱,主纜形成三跨式布局,這在陡峭山區實現起來較為困難。本文結合四川某大跨鋼管混凝土拱橋建設工程,對該橋纜索吊裝的索鞍一體式新型組合式錨碇開展研究。錨碇結構示意圖見圖1所示,其特點是利用抗滑樁、預應力錨索,以及承臺所形成的組合式錨碇,在承臺上靠跨中一側布置索鞍,主纜錨固于承臺后部,形成較短的主纜邊跨布置形式。

圖1 新型組合式錨碇結構示意圖

該新型錨碇由于減少了主纜塔柱,降低了工程成本。除了主纜荷載外,錨碇還可承擔施工期間扣索荷載。

組合式錨碇的優勢在于:既能通過巖錨充分利用巖體的承載力,又可以利用樁錨增加整體的穩定性,提高整個組合式錨碇的承載能力,并且還減少了對巖體的開挖量,最大程度上保證了原有邊坡的整體穩定性。由于承擔較大噸位和比較復雜的荷載作用,組合式錨碇受力十分復雜,且抗滑樁和預應力錨索等對組合式錨碇穩定性的貢獻難以確定,因此需要對該新型組合式錨碇的力學行為進行探討。

2 新型組合式錨碇結構布置

本文以四川某跨越金沙江支流溜筒河的一座大跨鋼管混凝土拱橋建設工程為背景開展研究,該橋的拱肋安裝采用無索塔纜索吊裝系統,其中最為重要的結構為兩岸錨碇,其結構為樁基-承臺-巖錨錨索組合的新型組合式錨碇。

整個纜索吊裝系統共布置4個主纜錨碇,結構形式均為樁基-承臺-巖錨錨索組合結構。每個錨碇中樁基共設置4根,平面尺寸均為2.8 m(縱橋向)×2.0 m(橫橋向)的矩形截面,在樁長布置中,靠近溜筒河一側的樁長為20 m,靠近邊坡一側的樁基長為15 m。在樁基頂部為重力式承臺,由尾部錨墩、中部承臺、前部索鞍橫梁、連接板組成。2個尾部錨墩之間預埋長度×壁厚為1 550 mm×18 mm錨固鋼管用于直徑60 mm主纜錨固,錨固鋼管內灌注C40混凝土。

單個錨碇的尾部錨墩上設置8根10×Φ15.2錨索,前部索鞍橫梁上設置8根10×Φ15.2錨索,錨索在平面和立面上采用分散形布置,錨索按永久性工程考慮2倍以上安全系數,每束錨索預拉力1 000 kN。具體布置圖見圖2。

圖2 錨索布置圖(單位:cm)

3 數值模擬與對比分析

3.1 有限元模型建立及分析工況確定

采用三維有限元軟件midas GTS NX進行建模計算,建模與分析計算流程包括建立幾何模型-材料及屬性確定→網格劃分→確定邊界約束→施加荷載→定義分析工況→求解等過程。

模型中涉及的材料主要分為巖體及錨碇部分,錨碇部分包括樁基、錨索、承臺,以及錨固鋼管。其中,巖體的相關參數取自地質勘測數據,考慮為中風化白云巖。各材料的參數取值見表1。

表1 材料參數表

有限元模型中巖體、承臺、樁基等實體模型均采用四面體實體單元進行網格劃分,錨索采用植入式桁架單元進行模擬。其中錨索建模用midas GTSNX中的錨建模助手進行建立,根據錨索的角度、錨固段與未錨固段長度的分配進行劃分。錨索共劃分4組,其中第一組2根錨索,其余3組每組4根錨索,每個承臺共14根錨索,合計28根。數值模型網格劃分見圖3。

圖3 組合式錨碇模型示意圖

在組合式錨碇受力階段,除承受主纜荷載外,在施工中會在前端增加扣索以完成全橋施工中的額外任務,因此在考慮不同主纜荷載與扣索荷載的組合荷載情況下,組合式錨碇的受力性能研究十分有必要。扣索荷載的施加位置位于承臺的前端,方向為沿縱橋向X方向,承臺的荷載施加具體分布見圖4。

圖4 荷載施加位置

為探究在不同荷載組合下組合式錨碇的受力性能,共設置4種主纜荷載與扣索荷載的組合工況,荷載組合的具體信息及荷載值如表2。

表2 荷載組合 kN

3.2 計算結果與分析

對4種工況下的組合式錨碇的受力分布進行分析,組合式錨碇的最大拉應力、最大壓應力及其分布位置見表3。

表3 最大應力及其分布位置 MPa

由表3可知,4種工況下最大拉應力均位于錨固鋼管中部位置,這是由于主纜荷載的水平分力主要集中在錨固鋼管的中間位置;最大壓應力均出現在鋼管前端的承臺處,此處鋼管受到水平向前的力,對前側的混凝土造成擠壓導致此處壓應力最大。工況一與工況二均為1倍主纜荷載,工況三與工況四均為2倍主纜荷載,對比發現在同一主纜荷載的情況下,錨固鋼管處的最大拉應力與承臺的最大壓應力均未發生變化,可見前端的扣索荷載對尾部錨固附近的受力影響極小。工況一和工況三均為1倍扣索荷載,工況二和工況四均為2倍扣索荷載,對比可以得出在同等扣索荷載下,增加主纜荷載對組合式錨碇的最大拉應力及壓應力均有較大的提高,應力的增長與主纜荷載成正比增加。

在不同荷載組合下,組合式錨碇各個部位的受力分配也會發生一定變化,通過計算整理巖錨錨索分擔的水平荷載,得出巖錨錨索在水平方向外荷載作用下分擔的比例。4種工況下錨索所占比例對比圖見圖5。

圖5 不同荷載組合下錨索分擔水平荷載比例圖

由圖5可知,在不同荷載組合下錨索的荷載分擔比例也不盡相同。在同一主纜荷載工況下增加扣索荷載,巖錨錨索分擔的荷載比例分別下降16.48%和14.11%,可見承臺前端扣索荷載的增大可使承臺和樁基在荷載分擔中承受更大的比例。在同一扣索荷載工況下增加主纜荷載,巖錨錨索分擔的荷載比例分別增加14.11%和16.47%,可以得出作用在錨固鋼管上的主纜荷載增大,會使巖錨錨索在荷載分擔中承擔更大的比例。因此,可以在應用過程中根據巖錨錨索以及樁基的承臺能力調整荷載作用在組合式錨碇上的位置,當錨固鋼管達到承載極限時可將荷載任務適當地分擔在承臺前端的扣索位置。

圖6為不同荷載組合工況下4排錨索中各排錨索的荷載承擔比例。由圖6可知,4排錨索的荷載分擔從大到小依次是:第四排>第三排>第二排>第一排,后排錨索索力遠大于前排索力。但荷載組合的變化在一定程度上對各排錨索的受力分布產生一定影響。在同一主纜荷載下,扣索荷載的增大使得前排錨索分配的比例增加,后排分配的比例降低;在同一扣索荷載的作用下,主纜荷載的增大使得后排錨索分配的比例增大,前排分配的比例降低。因此可以得出,錨索的荷載分配與荷載施加的位置有關,當施加在承臺前端的扣索荷載增大時,前排的錨索分配比例會適當增加;當施加在錨固鋼管處的主纜荷載增加時,后排錨索的分配比例會適當增大。

圖6 不同工況下各排錨索荷載占比

3.3 數值模擬結果與實測值對比分析

為了更準確地分析新型組合式錨碇中索力的變化,在現場安裝了錨索計進行施工過程中的索力監測,并通過智慧云平臺進行索力數據的無線采集,根據傳感器實時數據及時對施工進行預警和調整,圖7為現場安裝的錨索計。

圖7 現場安裝錨索計

在組合式錨碇的前后排分別安裝了錨索計進行索力監測,提取出其工況一下的實測索力大小,并與模擬值進行對比見圖8所示。從圖中可以看出實測值略小于模擬值,但與數值模擬結果在整體趨勢上保持一致,均是前排索力遠小于后排索力,這也表明上述數值模擬結果能較好地反映工程實際情況。

圖8 工況一下錨索索力對比圖

4 結論

運用midas GTS NX對不同荷載組合下的新型組合式錨碇進行建模,通過改變主纜荷載與扣索荷載的荷載等級并對不同工況下的新型組合式錨碇進行分析,得到不同荷載組合下組合式錨碇的力學性能。結論如下。

1) 新型組合式錨碇在較為復雜的地理環境及較大的荷載任務中具有更好的適用性及實用性。

2) 不同荷載組合作用下,新型組合式錨碇的最大應力均出現在主纜荷載施加位置,應在施工過程中重點關注主纜荷載施加位置。

3) 錨固鋼管上的主纜荷載增加會增大巖錨錨索的荷載分配比例,作用在承臺前端的扣索荷載增加會降低錨索的荷載分配比例。增大主纜荷載同時會增大后排錨索的索力占比,而增大扣索荷載會增大前排錨索的索力占比。因此可以根據實際工程合理分配工程中的荷載任務。