武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇应力与变位分析

闫卫玲， 邓友生

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇应力与变位分析

闫卫玲， 邓友生

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]锚碇为悬桥的关键结构之一，其受力的合理性关系着悬索桥在施工与运营阶段的安全性。基于武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇基础，运用三雏有限元件ADINA对北锚碇施工过程进行了模拟，并对锚碇施工完毕后的应力与变位进行了分析。分析结果表明：武汉鹦鹉洲长江大桥锚碇应力及变位的大小均满足规范要求，北锚碇基础的设计与施工方案都是合理的。

[关键词]锚碇； 应力； 变位； 有限元

随着我国交通运输及城市建设事业的迅猛发展，一座座大跨径悬索桥逐渐修起，大多数己建的大跨度悬索桥都采用重力式锚碇[1-2]。重力式锚碇的基础一般有沉井、地下连续墙、扩大基础和桩基础等形式[3-5]。重力式锚碇的地基反力抵抗了锚块、基础与主缆张力的竖向分量，而锚块与地基的摩阻力平衡了悬索在水平方向的拉力[6-7]。

悬索桥在设计和安全校核时都需要对锚碇系统进行一定的应力分析，这不仅是锚碇配筋的依据，而且为锚碇的安全性评价提供参考，尤其需要对于应力集中处进行一定的分析[8]。整体来说，悬索桥为柔性结构体系，锚碇的最大水平位移与最大垂直位移必须控制在一定数值范围内，才能保证悬索桥结构体系的整体稳定性[9]。 目前大量学者对重力式锚碇进行了一定的应力与变位分析。吴国光等人利用有限元软件ANSYS对矮寨大桥重力式锚碇进行了有限元分析，来研究锚碇的应力问题[10]。邵国建等人利用有限元分析软件Marc对润扬大桥悬索桥北锚碇进行了仿真数值计算，来研究锚碇在不同的施工阶段、锚碇基础不同部位的接触应力变化[11]。李文胜采用有限元Marc程序对江西赣州江大桥西锚碇基础和地基进行了二维有限元数值模拟分析，得到了锚碇基础底部应力分布规律、齿坎接触面的应力分布规律以及周围地层的塑性区发展趋势[12]。李加平等人采用室内相似模型试验和数值模拟相结合的方法研究了某悬索桥重力式锚碇变位问题[13]。本文研究的锚碇采用圆形沉井与地下连续墙相结合的新型结构形式，也有与己建成的悬索桥完全不同的建造环境(处于城市中心)，值得深入研究。

基于以上内容，根据武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇工程，通过大型通用有限元软件ADINA，采用三维计算模型模拟锚碇施工的过程，对锚碇施工完毕后的应力与变位进行了分析，验证大桥北锚碇的安全性，为类似工程提供参考。

1工程概况和计算模型

1.1工程概况

北锚碇沉井为截面为圆环形且中间圆孔内设有十字隔墙的基础，小直径井孔围绕圆环内圆周一圈布置。八节沉井总高43 m，第一节钢壳混凝土沉井高6 m，第二到六节钢筋混凝土沉井高5 m，第七、八节钢筋混凝土沉井高6 m。沉井内径41.4 m，第一节沉井外径为66.4 mm，其他节沉井外径为66 m。第一节16个小圆孔直径为9.1 m，第二节为8.3 m，其他节为8.7 m。沉井设计结构见图1。

因为位于市区的北锚碇沉井在下沉过程中吸泥取土时会引起周围建筑物和长江大堤的变形及渗流稳定问题，并且沉井施工中存在翻砂的风险，所以在沉井边缘外侧10 m处设一道深55 m、长270 m、宽0.8 m的圆形地下防护墙防护，防护墙与沉井同圆心，中心半径为43 m，顶部设混凝土结构施工导墙。圆形地下连续墙结构见图2。

图 2　圆形地下连续墙结构图

锚体顺桥向全长55.52 m，前端分离，每侧横向宽为5.12 m。锚块顺桥向长3725 m，前端宽10.76 m，后端宽16.4 m。压重块长24.7 m，宽16.6 m，前部高17.63 m，后部高17.13 m。锚室侧墙厚0.7 m，前墙厚0.5 m。锚体结构见图3。

沉井下沉施工采用井内除土，依靠沉井自重下沉的方式，下沉最后阶段采用空气幕辅助下沉。考虑施工工期及地下水位特点，沉井下沉共分三次进行，第一次浇筑1、2节沉井，采用冲吸结合抓斗法取土下沉9 m；第二次接高3、4、5节后不排水空气吸泥下沉14 m；第三次接高6、7、8节后不排水空气吸泥取土下沉22 m至设计标高。沉井井盖施工完成后，优先分8层浇筑鞍部，再分7层浇筑锚块和压重

块，架设猫道的同时分8次浇筑侧墙，主缆架设完成后浇筑前墙及顶盖板，最后施工锚体附属设施。北锚碇沉井下沉到位后，沉井设计顶标高为+19 m，墩位处地面标高约+23 m，沉井地连墙顶标高+21 m。根据施工取土情况判断，+19至+23 m标高地质主要为粉质粘土结构，且地下连续墙以外修筑有顶面标高为+23 m的施工环形便道。

图 3　北锚碇锚体设计结构图

1.2计算模型

模型土体边界取264 m×264 m×90 m。计算中X轴沿顺桥向，位于主桥中心线上，Y轴沿横桥向，Z轴垂直向上，坐标原点在圆形沉井顶部中心上。用固定约束来定义模型底面边界条件，用滚支约束来定义四个垂直面的约束条件。此三维模型共包含土体、沉井、连续墙、封底混凝土、填芯混凝土、盖板、锚体。本模型中土体分为五层，土体分类及力学参数如表1。考虑几何和材料非线性，土体采用八节点六面体实体单元。沉井、封底混凝土、填芯、盖板和上部锚体都采用四节点实体单元模拟，地下连续墙采用八点六面体实体单元模拟。整体模型单元总数为98 215，结点总数为31 110，基本模拟了结构的特征数值。三维整体模型图见图4。

表1　锚碇区土体分类及力学参数

图 4　三维整体模型图

2锚碇施工过程的模拟

为了保证模型的计算与实际工程相吻合，提高计算结果的精确性，尽量按照实际施工过程来进行模拟。ADINA中锚碇的施工过程可以通过单元生死定义来实现。计算模型共考虑了以下13个施工阶段：

1) 初始地应力计算。

2)浇筑地下连续墙。“杀死“地下连续墙处土体单元，“激活”地下连续墙单元。

3)下沉一二节沉井。“杀死”一二节沉井处土体单元，“激活”一、二节沉井单元。

4)下沉三、四节沉井。“杀死”三、四节沉井处土体单元，“激活”三、四节沉井单元。

5)下沉五、六节沉井。“杀死”五、六节沉井处土体单元，“激活”五、六节沉井单元。

6)下沉七、八节沉井。“杀死”七、八节沉井处土体单元，“激活”七、八节沉井单元。

7)浇筑封底混凝土。“激活”封底混凝土单元。

8)浇筑填芯混凝土。“激活”填芯混凝土单元。

9)浇筑锚梁、盖板。“激活”锚梁、盖板混凝土单元。

10)第一层锚体浇筑，厚2 m。“激活”2 m厚锚体混凝土单元。

11)第二层锚体浇筑，厚3 m。“激活”3 m厚锚体混凝土单元。

12)第三层锚体浇筑，厚5 m。“激活”5 m厚锚体混凝土单元。

13)一次浇筑剩余锚体。“激活”剩余锚体混凝土单元。

3施工完毕后锚碇应力分析

锚碇主应力分布云图见图5，当锚碇浇筑完毕后，上部锚体应力分布较下部沉井均匀，分别在侧墙及侧墙和支墩相接处、压重块后端悬臂部分出现了局部拉应力，为0～0.12 MPa之间，沉井的前后两个中上部侧壁出现了大量的拉应力，后侧应力变化梯度大于前侧，并且在前后两侧壁顶部出现了拉应力集中，最大拉应力值为1.42 MPa，位于后侧沉井顶部。沉井前后侧底部呈现压应力状态，后端压应力较大，前段压应力较小。这主要是因为沉井的前半区充填水，后半区为混凝土填芯，再加上上部锚体为非对称结构，后面为压重块，前面为鞍座，使得沉井总体受到偏心荷载，重心偏后，使得沉井后倾。因此在实际工程中鞍部和压重块都设置了竖向后浇段，可以避免应力偏高。另外在沉井底部十字隔墙及隔墙与沉井壁交接处出现了拉应力集中，所以在施工时可以加强对十字隔墙部分的配筋。

图 5　沉井锚碇主应力分布云图

图 6　地连墙主应力分布云图

图6为地下连续墙的应力分布云图。地连墙在施工完毕后受到侧壁土压力，其应力值整体大于沉井锚碇的应力。由于地连墙中间土体被施加了一定的沉井自重荷载，这对沉井底部土体产生挤压，在土体中形成竖向荷载和由土体传递至地连墙的横向荷载，横向荷载形成对地连墙墙壁的压力。由于地连墙深度为55 m，沉井底部下沉深度为43 m，沉井底部所在区域则为大应力分布区域。沉井封底完成后继续其他工步时荷载仍由沉井底部截面传至土体，因此沉井传递来的荷载很容易施加在这一处导致此处应力值增加而对其他区域的应力影响较小，竖向荷载则会由土体向下传递至持力层并分散在土层中，所以最大拉应力会出现在地连墙中下部。由于沉井前轻后重的原因，地连墙的前后两侧出现了较大拉应力，大约在0.8～2.4 MPa之间，且最大拉应力位于地连墙后侧，为4.09 MPa，其余区域拉应力均小于0.8 MPa。

此外，北锚碇施工完毕后，锚碇的应力大小均符合规范要求。

4施工完毕后锚碇变位分析

锚碇施工完毕后，所产生的水平位移相对于竖向位移均较小，所以此处只讨论锚碇竖直位移的分布规律。

图7为沉井锚碇竖向位移分布云图，锚碇施工完毕后，出现了一定的沉降，上部锚体和盖板的沉降值出现了0～5 mm的沉降，小于下部沉井的沉降，且沉井的沉降量自上而下逐步递减，这是由于底节沉井下沉较早，随着上部结构的施工，其变形也趋于稳定，此外，沉井后侧的沉降量大于前侧，这是因为沉井受到偏心荷载，后重前轻，加速了沉井的不均匀沉降，而左右两侧荷载相同，所以左右两侧的沉降量也基本相同。锚碇的最大竖向变形出现在沉井后侧顶部。

图8为圆形地连墙竖向位移分布云图，地连墙的位移充分显示了墙体与土体的关系，锚碇施工完成后地连墙出现一定沉降，大多数为1.5～3 mm之间。

图 7　沉井锚碇竖向位移分布云图

图 8　地连墙竖向位移分布云图

此外，锚碇各部分的最大竖向位移与水平位移都在规范允许范围内。

5结论

武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇施工完成后沉井与地连墙的前后两侧壁都出现了拉应力偏高。因此施工时注意在锚体的鞍部和压重块部设置后浇段来避免应力偏高。另外在沉井底部十字隔墙及隔墙与沉井壁交接处出现了拉应力集中，锚体在侧墙及侧墙和支墩相接处、压重块后端悬臂部分也出现了局部拉应力，所以在施工时可加强对十字隔墙、压重块悬臂端处的配筋。锚碇的最大竖向变形出现在沉井后侧顶部。此外，锚碇的应力、变位均在规范允许范围内，说明北锚碇基础的设计与施工方案都是可行的。

[参考文献]

[1]张焕.基于有限位移理论的悬索桥缆索体系分析[D].武汉：武汉理工大学,2004.

[2]雷俊卿.大跨度桥梁结构理论与应用[M]．北京：北京交通大学出版社,2007．

[3]邓友生,熊浩,刘荣,等.武汉鹦洲长江大桥北锚碇施工变位分析[J]岩土力学，2013，34(增刊):241-246，

[4]孟凡超．悬索桥[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5]孟凡超,王仁贵.徐国平,等.公桥涵设计手册——悬索桥[MI.北京：人民交通出版社.2011.

[6]钱冬生,陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工[Ml.成都：西南交通大学出版社，1999．

[7]彭德运．大跨悬索桥锚碇基础的设计与施工[J].铁道标准设计,2013,(1):19-23.

[8]林荣安．悬索桥重力式锚碇系统受力分析及其优化[D]．西安：长安大学，2008.

[9]Kim H K, Lee M J，Chang S P.Non-linear shape-finding analysis of a self-anchored Suspension bridge[J].Engineering Structures,2002,24(12):1547-1559．

[10] 吴国光,张永健,陈国平,等．矮寨大桥重力式锚碇应力分析[J].桥梁建设，2013,43(6):40-44.

[11] 邵国建,苏静波,胡强.润扬大桥悬索桥北锚碇基础接触应力反正分析[J]．中国工程科学,2006,8(6):28-23.

[12] 李文胜,赖允瑾,吴昌将.悬索桥锚碇结构2D有限元数值模拟与分析[J].地下空间与工程学, 2009，5(增刊):1768-1775．

[13] 李家平,李永盛,王如路.悬索桥重力式锚碇结构变位规律研究，岩土力学,2007,28(1):145-150.

[责任编校： 张岩芳]

Stress and Displacement for the North Anchorage of Yingwuzhou Yangtze River Bridge in Wuhan

YAN Weiling, DENG Yousheng

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Abstract：Anchorage is one of the key structures of suspension bridge, and its proper stress ensures the safety of suspension bridge construction and operation. Based on the north anchorage of Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge, this paper simulated the construction process of north anchorage by using the ADINA software and also analyzed the stress and displacement of Anchorage after the project had been finished. The results indicate that the intensity of stress and displacement of anchorage can satisfy the code requirements, and the design and construction scheme of the north anchorage foundation is reasonable. Keywords： anchorage; stress; displacement; finite elements

[收稿日期]2015-03-31

[基金项目]中铁大桥局集团第六工程有限公司武汉鸚洲长江大桥项目

[作者简介]闫卫玲(1989-)， 女，陕西商洛人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为桥粱基础工程

[文章编号]1003-4684(2016)02-0093-03

[中图分类号]U443

[文献标识码]：A