悬索桥重力式锚碇设计和分析

张峰

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆市 40067）

0 引言

悬索桥的锚碇是将巨大主缆拉力通过重力式锚体、岩洞锚塞体或岩体传递给地基的关键构件，其关系到整个桥梁的安全性。通常情况下，对于重力式锚碇，主缆巨大的拉力通过锚固系统和散索鞍支墩分散到锚块和基础上。索的水平分力主要由地基的摩阻力平衡，而竖向分力由锚碇自身的重力来平衡。本文以某长江大桥重力式锚碇为例，给出了其整体稳定性和局部受力分析结果及优化设计的方法。

1 工程概况

某跨越长江的悬索桥主跨理论矢跨比为1/10，根据地形地质条件设置为不对称边跨，桥跨布置为210m+760m+240m，边中跨比分别为0.27和0.31。主缆采用预制平行钢丝索股（PPWS），每根主缆中通长索股有112股，边跨不设背索。每根索股由91根直径为5.1mm、公称抗拉强度为1770MPa的高强度镀锌钢丝组成，全桥共设两根主缆，其中心距为27.5m。普通吊索间距为15m，端部吊索间距为20m。索塔采用钢筋混凝土塔柱结构，外形为门形框架，一侧塔高为121m，另一侧塔高为162m。加劲梁为单跨流线形单箱单室扁平钢箱梁结构，根据地形及地质状况，设计时大桥一侧采用隧道式锚碇，一侧采用重力式锚碇。

2 重力式锚碇设计

重力式锚碇结构分为锚体和压重块、散索鞍支墩、前锚室、后锚室、基础等部分。

为减少用钢量，同时合理设计锚块形状，并节约混凝土用量，采用有粘结预应力钢绞线锚固系统。锚固方式为前锚式，预应力钢束沿索股发散方向布置，穿过锚体后锚固于后锚面，前后锚面均为大缆合力线垂直的平面。

索股锚固单元采用两种类型，锚具分别采用特制的T15－13型和T15－27型锚具（包括锚头、锚下垫板、螺旋钢筋、锚头防护帽）。

预应力钢绞线锚固体系采用主缆丝股与锚体前面的钢制拉杆相连，拉杆通过连接平板、连接套筒预应力钢绞线锚固在锚体上。预应力钢束采用镀锌钢绞线，公称抗拉强度1860MPa。双股锚为Φ15-27钢绞线及配套锚固连接构造。

3 重力式锚碇整体分析

对于重力式锚碇及基础的整体稳定性和安全，将基础简化为作用在均质地基上不考虑侧壁摩阻力的刚体模型进行验算，重力式锚碇整体验算主要包含如下几个方面。

3.1 地基应力

锚碇地基应力计算与其他墩台基础相似,同时基底应力应尽量均匀,且不出现大的突变。

3.2 抗倾覆稳定性

对于基础嵌入中风化砂岩或泥岩，采用后者进行计算。

3.3 抗滑稳定性

重力式锚碇基础滑动力主要为主缆力水平分量、基础后墙回填土压力等作用。实际抗滑力包含：

（1）基础底面与地基间的粘结力，对于混凝土基础与土和岩石的地基之间，计算时通常不考虑该部分力[4]。

（2）基础底面与地基间的滑动摩阻力，为有效垂直荷载与摩阻系数的乘积。

3.4 整体计算结果

为了平衡主缆拉力对地基产生的倾覆力矩和对地基产生不均匀压力，重力式锚碇除了设置强大的锚体压重块外，对基础前趾附近区域进行了挖空处理。设计时建立了整体验算的各项指标与挖空体积大小的关系，以寻求较为合理的方案。

基底最大和最小压应力以及基础抗倾覆稳定系数随着挖空体积的关系见图1。从图1（a）中可以看出，随着随着挖空体积的增加，基底最大压应力先减小后增大，同时地基受力的不均匀性也呈同样趋势。实际上地基应力状态与抗倾覆状态相关，随着挖空体积的增加抗倾覆稳定系数的趋势见图1（b），在挖方体积在3000m3时，抗倾覆系数达到一个极值，此时基底对应的受力状态也接近轴心受压，外力合力作用点接近截面重心，最大应力0.52MPa，最小应力0.50MPa，满足地勘提供的地基容许承载力0.8MPa的要求。

图1 各方案的基底应力和抗倾覆稳定系数

由于抗滑动稳定系数计算仅考虑了基底的摩阻力，随着箱室增大，锚碇重量降低，抗滑动稳定系数也基本上呈现线性减小的趋势。在挖空体积为3000m3时抗滑动稳定系数为2.2，可以满足《悬索桥设计规范》的要求。

4 重力式锚碇应力和变形分析

4.1 有限元模型和边界条件

由于重力式锚碇为关于路线中心线的对称结构，为了减少计算自由度和提高效率，仅建立锚碇半模型并在对称面施加对称约束。锚碇基底嵌入岩石，按固定约束处理。锚体、基础和散索鞍等均采用二阶十节点四面体单元，划分单元的尺寸约为1m左右。

锚固系统的预应力钢筋采用两节点空间杆单元，采用等效降温法[5]来模拟预应力对结构的影响，计算方法为：在第1个荷载步对钢绞线施加张拉力对应的等效降温荷载并计算出混凝土实际应力；在后续荷载步施加外荷载。

为有效模拟主缆散索后力的传递过程，在主缆散索鞍理论IP点处建立参考点并耦合前锚面上预应力节点以及散索鞍支墩顶面节点[5]。

4.2 计算荷载

计算时考虑的主要荷载包含：

（1）自重：混凝土重力密度按26kN/m3考虑。

（2）预应力：张拉控制应力0.65fps，预应力损失按20%的张拉应力考虑。

（3）主缆力：最不利荷载组合下最大缆力（单根主缆）。

4.3 计算结果和分析

由于大跨度悬索桥主缆的恒载占比大，为简化分析过程仅采用两种工况对重力式锚碇在施工期间和运营期间的应力进行分析即：工况1，锚碇主体和预应力施工完成阶段，此时主要受锚碇自重以及锚固系统预压力作用。工况2：最大主缆力运营阶段。

通过计算可以看到：在工况1即预应力张拉完成时仅有后锚室顶部由于截面出现突变导致了明显的拉应力集中,在工况2即最大主缆力作用下前锚面锚固区边缘以及后锚室底部截面突变处的拉应力较为集中。

锚体中心切面主压应力：工况1即预应力张拉后，锚体由于承受了强大的预压应力作用，主要区域的主压应力维持在-2.0～-0.5MPa之间;工况2即预应力和最大主缆力合力作用下，前锚面附近区域由预应力产生的压力和主缆产生的拉力基本抵消，整体呈现压应力且维持在-0.5～0MPa之间。后锚面附近应力水平几乎不变，只是压应力分布区域有所减小。

为简化和偏安全考虑，计算模型没有建立箱室内的倒角。从计算可以看出：在工况1支墩自重作用以及工况2最大主缆力作用下，箱型基础墙体应力水平都较底。最大主缆力作用下，箱型基础底板与墙体交界位置附近主拉应力仅为0.7MPa左右。箱型基础墙体与顶板交界位置附近主压应力为1.5MPa左右，满足受力要求。

从计算可以看到：散索鞍支墩在工况1即成桥自重作用下最大主拉应力为0.25MPa，最大主压应力2.0MPa。在工况2即最大主缆力作用下主拉应力为0.7MPa，主压应力为4.5MPa。

5 结语

大跨度悬索桥重力式锚碇虽然受力复杂但结构刚度较大，拉应力集中出现在结构表面区域，分布厚度较小，在设计时可以通过设置防裂钢筋网对锚体表面区域进行加强,以及对于后锚室顶底部的应力集中区域通过进一步采用圆弧倒角等优化处理以减小拉应力集中，防止锚体开裂；对于锚体，前后锚面出现了小范围的压应力集中，详细设计时应采用符合混凝土局部承压要求的特制锚具以满足混凝土抗压强度；对于散索鞍支墩，整体应力分布比较均匀且强度满足规范要求。

参考文献：

[1]JTGD65—2015,公路悬索桥设计规范[S].

[2]苏静波.悬索桥锚碇基础的稳定性分析[J].公路,2005(4):61-65.

[3]JTGD63—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[4]刘明虎.悬索桥重力式锚碇设计的基本思路[J].公路,1997(7):17-21.

[5]吴祖咸.用等效降温法模拟预应力来实现张弦梁结构找形[J].浙江工业大学学报,2008(10):586-590.