基于FLAC 3D的拱桥施工缆索扣地锚受力分析

徐仕伦

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

钢管混凝土拱桥作为一种优良的钢混组合桥梁,管内混凝土的填充可提高钢管的局部稳定性,同样,钢管的约束作用可提高管内混凝土的抗压强度和变形能力[1]。该结构不仅充分发挥了钢与混凝土这两种材料的特性,并且极大地方便了拱桥施工。在近三十年里,伴随着拱桥技术不断创新与发展,拱桥以造型优美、结构经济和施工便捷等优势在国内得到迅猛发展[2]。尤其是平南三桥的建成,使其一举成为世界上最大跨径的钢管混凝土拱桥,为后续拱桥跨径突破700 m大关奠定了坚实的基础。扣地锚作为钢管混凝土拱桥缆索吊装系统中的关键性结构,其安全与否关系到整座桥梁是否能安全顺利建成,因此有必要对扣地锚展开详细的结构分析。

有限元程序FLAC 3D软件在岩土领域的应用较为广泛[3],其不仅可以模拟连续介质进行非线性大变形分析,还可以模拟地应力场生成,且在后期处理方面,FLAC 3D软件具有较为明显的优势,如操作简单、成图清晰、分析数据简便、文本编译方便等[4]。因此,本文采用该有限元程序对扣地锚在拱肋缆索吊装过程中的受力行为展开分析。

1 工程背景

某桥采用中承式钢管混凝土拱桥方案,计算跨径为508 m,矢高为123.25 m,矢跨比为1/4.121 7,拱轴线为高次抛物线,采用缆索吊装斜拉扣挂法施工,扣地锚设计为桩式地锚,其结构形式如图1所示。主要设计参数有:桩基长6 m,直径为1.6 m;平台长17.3 m,宽17.3 m,高1 m;前档墙长17.3 m,宽2.1 m,高5.5 m;前支撑墙长7.6 m,宽1.7～3.2 m,高2.0～3.0 m;后支撑墙长7.6 m,宽1.7～3.2 m,高3.0～4.3 m;桩基础每根布置1×10根锚索,单根张拉力为10 t,单束张拉锚固力为100 t。由于该桥桥址区地质构造复杂,需要重点关注地锚在拱肋缆索吊装过程中结构的受力行为。

图1 扣地锚结构形式示意图

2 扣地锚数值模型的建立及参数设置

2.1 三维数值模型的建立

地锚结构根据CAD图纸进行1∶1还原。周边土体尺寸为:长×宽×高=200 m×100 m×39 m,土体顶部与地锚前挡土墙顶部齐平。根据工程地质勘察报告,从最不利情况考虑,采用有限元程序FLAC 3D软件建立水平地层模型。地锚结构中的桩、地梁、平台梁、联系梁、支撑墙、前挡土墙、扁担梁以及周边土体均采用实体单元Zone模拟,整体模型共计包含60 088个节点及106 758个单元,如图2所示。

图2 整体模型示意图

2.2 边界条件的设置

为了彻底消除边界效应的影响,模型周边岩土体尺寸范围取值较大。由于模型侧面及底面对地锚结构变形的影响基本可以忽略不计,因此在分析过程中仅对岩土体的底面及侧面进行约束,具体边界约束条件如表1所示,模型边界施加如图3所示。

表1 边界条件设置表

图3 模型边界条件示意图

2.3 接触面的设置

地锚结构与土体之间的接触作用通过FLAC 3D软件内置的接触单元来模拟,按照接触面的不同,分别设置地锚结构与土体的侧向接触面与横向接触面,接触面的设置位置如图4所示。

图4 接触面设置示意图

2.4 岩土体力学参数

根据工程地质勘察报告,本模型的岩土体共分6层设置,各岩土体分层参数值如表2所示。

表2 岩土体分层参数表

2.5 桩-土界面接触参数

扣地锚结构与土体的摩擦作用通过接触面来模拟,FLAC 3D软件中接触面参数设置包括剪切刚度、法向刚度、粘聚力、内摩擦角,根据经验,接触面的法向刚度与侧向刚度可取土体弹性模量的10倍,粘聚力及内摩擦角取土体参数的0.8倍,具体参数取值结果如表3所示。

表3 桩-土界面接触参数表

3 数值模拟计算说明

由于三维数值模型建立之初即包含地锚结构,而实际上在首次地应力平衡过程中是不存在地锚的,因此在首次地应力平衡时将平台梁以上的地锚结构采用null模型挖除,以方便初始地应力的生成。

安装地锚的过程通过添加本构模型实现,采用zone cmodel assign命令为地锚结构添加弹性模型并赋予相应参数,同时采用interface单元建立地锚-土层结合面,在此基础上计算地锚安装后的应力分布。

扣索及塔架浪风索力按照实际情况下的最不利荷载施加,并将力的作用沿竖直和水平方向分解,扣索及塔架浪风在最不利荷载条件下的索力值如表4所示。

表4 缆索及浪风最不利荷载索力值表

将上述最不利荷载值在整体坐标系下沿水平方向和竖直方向进行分解,分解后的水平力与竖直力以应力的方式分别施加在扁担梁及浪风拉索锚固位置,模型力学参数取值如下页表5所示,模型索力施加结果如下页图5所示。

表5 模型力学参数取值表

图5 模型外荷载施加结果示意图

4 计算结果

4.1 地层初始地应力及安装平衡分析

地锚安装之前,对建立的模型进行初始地应力生成,以模拟地锚周边土体的初始地应力状态。模型计算平衡后的初始地应力结果如图6所示。

图6 竖向初始地应力云图(Pa)

地锚自重较大,安装后会引起周边土体的应力重分布,为模拟索力施加前地应力的平衡状态,在地锚安装后对模型进行了二次平衡计算,地锚安装后地应力结果如图7所示。

图7 地锚安装后竖向地应力云图(Pa)

4.2 地锚结构变形及受力分析

地锚的变形是施工现场最为关心的问题,在变形计算过程中,地锚上设置变形监测点,监测点设置如图8所示。

图8 变形监测点设置图

模型计算平衡后,地锚结构变形云图如图9所示。提取监测点变形数据,监测点在x、y、z三个方向上的最终稳定变形分别为1.08 mm、0.03 mm、0.73 mm,监测点x方向位移最大,其次是z方向,y方向位移较小,基本可忽略不计。

图9 地锚结构变形云图(m)

地锚结构应力云图如图10所示。从图中可以看出,模型平衡稳定后,由于扣索拉力作用,地锚结构在扁担梁安装出的三向应力均较大,约为2.6 MPa。

图10 地锚结构应力云图(Pa)

4.3 周边土体变形及受力分析

为明确地锚周边土体的变形特征,提取周边土体的变形云图,如图11所示。从图11可以看出,周边土体的变形主要集中在地锚结构附近,周边土体x向变形最大,约为1.03 mm;z向变形居中,约为0.81 mm;y方向变形最小,约为0.18 mm。

图11 周边土体变形云图(m)

地锚周边土体的应力云图如图12所示。从图中可以看出,由于地锚结构在扣索荷载作用下的位移较小,引起周边土体在x、y、z三个方向的应力变化也十分微小。

图12 周边土体应力云图(Pa)

为明确地锚周边土体在施加索力后的塑性区发展趋势与最终分布状态,分别提取平衡计算时步为2 000时步、8 000时步、14 000时步(模型计算达到平衡状态)时周边土体的塑性区分布图,如图13所示。

图13 周边土体应力云图

从图13可以看出,在扣索索力和塔架浪风力共同作用下,地锚结构周边土体小范围进入塑性状态,塑性区的发展从地锚结构后方开始,逐渐扩散到地锚结构四周。

5 结语

本文以某钢管混凝土拱桥缆索吊装系统中的扣地锚为研究对象,利用FLAC 3D软件,通过有限元分析的方法对其在最不利外荷载作用下开展结构安全分析。计算结果表明:

(1)在最不利荷载条件下,该桩式地锚的变形在1 mm左右,属可控范围。

(2)拱肋安装过程中地锚周边土体有相对微小的变形,虽不足以构成安全隐患,但现场施工时应尽量夯实地锚周边土体以给地锚提供足够的反作用力,同时应加强观测,时刻关注地锚及周边土体变形发展趋势。

(3)在钢管混凝土拱桥施工全周期内,该桩式地锚结构安全。