缆索吊装索鞍一体式新型组合式锚碇力学性能研究

李志锋 刁锡钢 张谢东 陈小佳

(1.武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063; 2.四川省交通建设集团股份有限公司 成都 610041)

锚碇作为悬索桥中关键的组成结构,承担着来自缆索的巨大荷载[1-2]。锚碇结构的承载能力及稳定性将直接影响桥梁施工的安全进行。

锚碇结构大多根据所在工程的实际地形条件限制进行选择设计,但由于桥梁的跨径逐渐增大,单一的岩锚结构已经不能满足复杂的工程,因此越来越多的工程将锚碇结构进行组合设计[3-4],以抵抗较大的主缆荷载。目前,针对锚碇的研究主要是通过数值模拟[5-7]及现场或室内试验[8-9]对锚碇的承载能力进行分析,但现阶段针对桩基-承台-岩锚锚索组合的新型组合式锚碇的研究较少。本文分析的新型组合式锚碇在实际工程中为首次运用,因此对其开展受力性能研究十分有必要。

本文采用midas GTS NX有限元软件对不同荷载组合状态下新型组合式锚碇受力进行数值模拟,并与实测结果进行对比分析,以此对新型组合式锚碇的力学性能进行研究。

1 新型组合式锚碇的特点

根据作用机理的不同,锚碇分为大量混凝土自重分担荷载的重力式锚固及通过岩体协同受力的岩石锚固,而岩石锚固主要分为隧道式和岩锚式。重力式锚碇的作用机理是依靠自身重力以及与岩体的摩阻力共同平衡主缆荷载,但重力式锚块需要进行开挖大体积岩体,对山体的整体平衡及自然环境的破坏较大,且对于某些陡峭边坡施工难度较大。隧道式锚碇的作用机理能够充分利用岩体的承载力,与岩体共同承担主缆荷载,但由于开挖过程中要进行大量出渣等工序,对场地交通等条件有一定的要求。

锚碇用于缆索吊装主缆时,通常需要设置塔柱,主缆形成三跨式布局,这在陡峭山区实现起来较为困难。本文结合四川某大跨钢管混凝土拱桥建设工程,对该桥缆索吊装的索鞍一体式新型组合式锚碇开展研究。锚碇结构示意图见图1所示,其特点是利用抗滑桩、预应力锚索,以及承台所形成的组合式锚碇,在承台上靠跨中一侧布置索鞍,主缆锚固于承台后部,形成较短的主缆边跨布置形式。

图1 新型组合式锚碇结构示意图

该新型锚碇由于减少了主缆塔柱,降低了工程成本。除了主缆荷载外,锚碇还可承担施工期间扣索荷载。

组合式锚碇的优势在于:既能通过岩锚充分利用岩体的承载力,又可以利用桩锚增加整体的稳定性,提高整个组合式锚碇的承载能力,并且还减少了对岩体的开挖量,最大程度上保证了原有边坡的整体稳定性。由于承担较大吨位和比较复杂的荷载作用,组合式锚碇受力十分复杂,且抗滑桩和预应力锚索等对组合式锚碇稳定性的贡献难以确定,因此需要对该新型组合式锚碇的力学行为进行探讨。

2 新型组合式锚碇结构布置

本文以四川某跨越金沙江支流溜筒河的一座大跨钢管混凝土拱桥建设工程为背景开展研究,该桥的拱肋安装采用无索塔缆索吊装系统,其中最为重要的结构为两岸锚碇,其结构为桩基-承台-岩锚锚索组合的新型组合式锚碇。

整个缆索吊装系统共布置4个主缆锚碇,结构形式均为桩基-承台-岩锚锚索组合结构。每个锚碇中桩基共设置4根,平面尺寸均为2.8 m(纵桥向)×2.0 m(横桥向)的矩形截面,在桩长布置中,靠近溜筒河一侧的桩长为20 m,靠近边坡一侧的桩基长为15 m。在桩基顶部为重力式承台,由尾部锚墩、中部承台、前部索鞍横梁、连接板组成。2个尾部锚墩之间预埋长度×壁厚为1 550 mm×18 mm锚固钢管用于直径60 mm主缆锚固,锚固钢管内灌注C40混凝土。

单个锚碇的尾部锚墩上设置8根10×Φ15.2锚索,前部索鞍横梁上设置8根10×Φ15.2锚索,锚索在平面和立面上采用分散形布置,锚索按永久性工程考虑2倍以上安全系数,每束锚索预拉力1 000 kN。具体布置图见图2。

图2 锚索布置图(单位:cm)

3 数值模拟与对比分析

3.1 有限元模型建立及分析工况确定

采用三维有限元软件midas GTS NX进行建模计算,建模与分析计算流程包括建立几何模型-材料及属性确定→网格划分→确定边界约束→施加荷载→定义分析工况→求解等过程。

模型中涉及的材料主要分为岩体及锚碇部分,锚碇部分包括桩基、锚索、承台,以及锚固钢管。其中,岩体的相关参数取自地质勘测数据,考虑为中风化白云岩。各材料的参数取值见表1。

表1 材料参数表

有限元模型中岩体、承台、桩基等实体模型均采用四面体实体单元进行网格划分,锚索采用植入式桁架单元进行模拟。其中锚索建模用midas GTSNX中的锚建模助手进行建立,根据锚索的角度、锚固段与未锚固段长度的分配进行划分。锚索共划分4组,其中第一组2根锚索,其余3组每组4根锚索,每个承台共14根锚索,合计28根。数值模型网格划分见图3。

图3 组合式锚碇模型示意图

在组合式锚碇受力阶段,除承受主缆荷载外,在施工中会在前端增加扣索以完成全桥施工中的额外任务,因此在考虑不同主缆荷载与扣索荷载的组合荷载情况下,组合式锚碇的受力性能研究十分有必要。扣索荷载的施加位置位于承台的前端,方向为沿纵桥向X方向,承台的荷载施加具体分布见图4。

图4 荷载施加位置

为探究在不同荷载组合下组合式锚碇的受力性能,共设置4种主缆荷载与扣索荷载的组合工况,荷载组合的具体信息及荷载值如表2。

表2 荷载组合 kN

3.2 计算结果与分析

对4种工况下的组合式锚碇的受力分布进行分析,组合式锚碇的最大拉应力、最大压应力及其分布位置见表3。

表3 最大应力及其分布位置 MPa

由表3可知,4种工况下最大拉应力均位于锚固钢管中部位置,这是由于主缆荷载的水平分力主要集中在锚固钢管的中间位置;最大压应力均出现在钢管前端的承台处,此处钢管受到水平向前的力,对前侧的混凝土造成挤压导致此处压应力最大。工况一与工况二均为1倍主缆荷载,工况三与工况四均为2倍主缆荷载,对比发现在同一主缆荷载的情况下,锚固钢管处的最大拉应力与承台的最大压应力均未发生变化,可见前端的扣索荷载对尾部锚固附近的受力影响极小。工况一和工况三均为1倍扣索荷载,工况二和工况四均为2倍扣索荷载,对比可以得出在同等扣索荷载下,增加主缆荷载对组合式锚碇的最大拉应力及压应力均有较大的提高,应力的增长与主缆荷载成正比增加。

在不同荷载组合下,组合式锚碇各个部位的受力分配也会发生一定变化,通过计算整理岩锚锚索分担的水平荷载,得出岩锚锚索在水平方向外荷载作用下分担的比例。4种工况下锚索所占比例对比图见图5。

图5 不同荷载组合下锚索分担水平荷载比例图

由图5可知,在不同荷载组合下锚索的荷载分担比例也不尽相同。在同一主缆荷载工况下增加扣索荷载,岩锚锚索分担的荷载比例分别下降16.48%和14.11%,可见承台前端扣索荷载的增大可使承台和桩基在荷载分担中承受更大的比例。在同一扣索荷载工况下增加主缆荷载,岩锚锚索分担的荷载比例分别增加14.11%和16.47%,可以得出作用在锚固钢管上的主缆荷载增大,会使岩锚锚索在荷载分担中承担更大的比例。因此,可以在应用过程中根据岩锚锚索以及桩基的承台能力调整荷载作用在组合式锚碇上的位置,当锚固钢管达到承载极限时可将荷载任务适当地分担在承台前端的扣索位置。

图6为不同荷载组合工况下4排锚索中各排锚索的荷载承担比例。由图6可知,4排锚索的荷载分担从大到小依次是:第四排>第三排>第二排>第一排,后排锚索索力远大于前排索力。但荷载组合的变化在一定程度上对各排锚索的受力分布产生一定影响。在同一主缆荷载下,扣索荷载的增大使得前排锚索分配的比例增加,后排分配的比例降低;在同一扣索荷载的作用下,主缆荷载的增大使得后排锚索分配的比例增大,前排分配的比例降低。因此可以得出,锚索的荷载分配与荷载施加的位置有关,当施加在承台前端的扣索荷载增大时,前排的锚索分配比例会适当增加;当施加在锚固钢管处的主缆荷载增加时,后排锚索的分配比例会适当增大。

图6 不同工况下各排锚索荷载占比

3.3 数值模拟结果与实测值对比分析

为了更准确地分析新型组合式锚碇中索力的变化,在现场安装了锚索计进行施工过程中的索力监测,并通过智慧云平台进行索力数据的无线采集,根据传感器实时数据及时对施工进行预警和调整,图7为现场安装的锚索计。

图7 现场安装锚索计

在组合式锚碇的前后排分别安装了锚索计进行索力监测,提取出其工况一下的实测索力大小,并与模拟值进行对比见图8所示。从图中可以看出实测值略小于模拟值,但与数值模拟结果在整体趋势上保持一致,均是前排索力远小于后排索力,这也表明上述数值模拟结果能较好地反映工程实际情况。

图8 工况一下锚索索力对比图

4 结论

运用midas GTS NX对不同荷载组合下的新型组合式锚碇进行建模,通过改变主缆荷载与扣索荷载的荷载等级并对不同工况下的新型组合式锚碇进行分析,得到不同荷载组合下组合式锚碇的力学性能。结论如下。

1) 新型组合式锚碇在较为复杂的地理环境及较大的荷载任务中具有更好的适用性及实用性。

2) 不同荷载组合作用下,新型组合式锚碇的最大应力均出现在主缆荷载施加位置,应在施工过程中重点关注主缆荷载施加位置。

3) 锚固钢管上的主缆荷载增加会增大岩锚锚索的荷载分配比例,作用在承台前端的扣索荷载增加会降低锚索的荷载分配比例。增大主缆荷载同时会增大后排锚索的索力占比,而增大扣索荷载会增大前排锚索的索力占比。因此可以根据实际工程合理分配工程中的荷载任务。