香丽金沙江大桥重力式锚碇综合安全评价*

2020-11-30杨小兵王康云李春晓尹小涛乔文号

建材发展导向 2020年20期

关键词：丽江基底重力

杨小兵，王康云，李春晓，尹小涛，乔文号，5

（1.云南建投基础工程有限责任公司云南昆明 650217）

（2.云南丽香高速公路投资开发有限公司云南昆明 650217）

（3.云南省交通规划设计研究院有限公司云南昆明 650031）

（4.中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉 430071）

（5.中国科学院大学北京 100000）

0 引言

地锚式悬索桥通过锚碇承受主缆传递的桥梁荷载，重力式锚碇，适用地层广泛，在作业允许条件下，经常作为地锚选型[1-3]；其缺点在于施工作业面大，开挖造成的环境改变较大，锚碇体型庞大[4-5]。重力式锚碇设计理论简单，但其承载机制是科学评价、理论提升、挖潜增效和安全控制的基础，仍需重视。

当前重力式锚碇的设计和评价主要依托悬索桥和桥涵设计规范[6-7]，评价指标主要包括：材料强度、地基承载安全、变形稳定和结构安全（抗滑移稳定性系数和抗倾覆稳定性系数）。设计计算主要是依托锚碇的重量和地基的摩擦承载实现抗滑控制。研究主要集中在现场试验测定准确的混凝土-地基摩擦参数[8-10]；数值仿真计算结构应力、基底应力、变形和抗滑移稳定性系数，系统评价结构安全[11-15]；模型试验评估结构是否满足设计条件[16-17]。问题在于没有考虑结构与地基的协同作用，不同评估指标之间没有考虑协调一致，即极限或者安全的标准不同，协调统一且适用于锚碇自身特征的指标及标准是探索的终极目标。

依托香丽高速公路虎跳峡金沙江大桥丽江岸重力式锚碇工程，利用勘察和设计提供的基础数据，在规范提供的评价指标和计算方法下，探讨了不同评价指标的极限特征和安全标准，综合论证了锚碇的稳定性，为同类锚碇的安全评价提供参考，也为适用于锚碇自身特征的指标及标准进行了敏感性排序和敏感参数建议。

图1 单塔单跨地锚式悬索桥剖面

1 工程概况

1.1 香丽虎跳峡金沙江大桥概况

主桥为766m 独塔单跨地锚式钢桁梁悬索桥，索塔为钢筋混凝土门型塔，下游塔柱高153.3m，上游塔柱高137.3m。主桥加劲梁为钢桁架，桥宽26m，公路-Ⅰ级汽车荷载。丽江岸采用扩大基础重力式锚碇，香格里拉岸采用隧道式锚碇。地震基本烈度：Ⅷ度。地震动峰值加速度：0.3g。

勘察单位根据钻探、平硐试验和现场试验综合确定了设计所需计算参数，见表1。

表1 设计所需计算参数

1.2 丽江岸重力式锚碇

丽江岸重力式锚碇见图2。最不利荷载组合主缆力4.0×105kN，锚碇总重量约2 009 450kN，锚碇总长度72m，宽度50m。结构地基摩擦系数0.59。

抗滑动稳定性系数ka>2.0，抗倾覆稳定性系数kc>3.0，水平变形值不大于76.6mm（万分之一主跨），竖向位移不大于153.2mm（万分之二主跨），基底应力小于地基容许承载力。

利用CAD 的质心求解命令，求取几何图形的质心（40.8，13.9），由于对称性x 方向的位置求解准确，不同力的大小和力臂信息统计列于表2。

根据《公路悬索桥设计规范》JTG/T D 65-05-2015 第8.4.1 条规定了抗倾覆稳定性及抗滑动稳定性标准、第8.4.2 条规定了基底应力安全标准、第8.4.3 条规定了变形稳定标准。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007 第4.4.1 条规定了抗倾覆稳定性系数的计算公式；第4.4.2 条的规定了抗滑动稳定性系数的计算公式；《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007 第4.2 条规定了偏心条件下的基底应力计算公式，进行重力式锚碇综合安全评价。

2 丽江岸重力式锚碇综合安全评价

2.1 不同指标的极限分析

根据抗倾覆稳定性系数公式，代入表2 参数，则得到kc=5.3，大于3.0，当前设计下，结构抗倾覆性能安全可靠。基于偏心考虑的抗倾覆稳定性系数评估锚碇结构的整体抗转动性能及安全，可知2.2P 下kc=2.0；3.6P 下kc=1.0，即当前设计重量下，桥梁2.2P 下不再满足规范抗倾覆要求，3.6P下会因为倾覆失稳，即该指标揭示的极限承载。

根据抗滑动稳定性系数公式，代入表2 参数，则得到ka=3.2，大于2.0，当前设计下，结构抗滑动性能安全可靠。当前设计重量下，桥梁1.5P 下不再满足规范抗滑动要求，2.6P 下会因为滑动失稳，即该指标揭示的极限承载。

根据考虑偏心作用的基底应力公式，代入表2 参数，则得到Pmax=634kPa，Pmin=410kPa，当前设计下，地基承载安全。当前设计重量下，桥梁3.4P 下基底会出现拉应力，Pmax 依然小于中风化板岩容许承载力1 100kPa，不再满足基底应力控制要求，即该指标揭示的极限承载。

假设地基为孤立的块体，利用胡克定律，计算水平位移和竖向位移，假设水平向尺度72m，竖向72m，代入表1 和2 参数，则得到Dh=5.2mm，Dv=7.5mm，分别小于水平和竖向变形控制标准，当前设计下，变形稳定。在不考虑地基不均匀性的前提下，变形稳定，变形不敏感。如果考虑地基不均匀性，强风化的模量可按0.2GPa，则1P 下，Dh=90.4mm，Dv=131.6mm，水平变形不满足要求。

图2 丽江岸重力式锚碇

表2 锚碇作用力系

图3 重力式锚碇受力简图

表3 各指标揭示的超载极限值

各指标揭示的极限承载，考虑地基不均匀性下的变形稳定<抗滑动稳定性系数<地基承载安全<抗倾覆稳定性系数，这也是锚碇结构安全评价指标的敏感性。

2.2 丽江岸锚碇的综合安全评价

丽江岸重力式锚碇在当前设计下是安全，而且丽江岸重力式锚碇基坑开挖后，一定要对基底发现的碎石土和强风化板岩进行地基处理和加固处置，否则不均匀沉降可能造成结构转动失稳。

如果基底全部为中风化板岩，各指标均满足规范要求的桥梁荷载为1.5P；2.6P 之后滑动失稳，3.4P 之后基底出现拉应力，3.6P 之后转动失稳。由此可知，1.0-1.5P 可稳妥挖掘，1.5-2.6P慎重使用，2.6-3.6P 部分指标失效。

2.3 丽江岸锚碇重量优化

在上述基础上对锚碇重量优化，1P+0.7G 下，ka=2.2，kc=3.6，Pmax=467kPa，Pmin=243kPa；1P+0.5G 下， ka =1.5， kc =2.5， Pmax =355kPa，Pmin =131kPa； 1P +0.4G 下， ka =1.1， kc =1.9，Pmax=299kPa，Pmin=75kPa；1P+0.3G 下，ka=0.8，kc=1.3，Pmax=243kPa，Pmin=19kPa，在减重则全面失稳。从分析可知，减重30%，则各指标均满足规范要求；减重50%，仅抗滑动指标不满足规范要求，其余指标均满足规范要求；减重60%，滑动处于临界状态，抗倾覆指标不满足规范要求，其余指标均满足规范要求；减重70%，滑动、倾覆和地基均处于临界状态，这是需要避免的。0-30%的重量优化是稳妥的，50-60%需要慎重对待，锚碇不能出现低于40%的有效重量的情况。