隧道式錨碇動張拉荷載響應分析

李 明,袁曉偉,陳 奇,胡 君

(重慶交通大學 山區橋梁與隧道國家重點實驗室培育基地,重慶 400074 )

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隧道式錨碇動張拉荷載響應分析

李 明,袁曉偉,陳 奇,胡 君

(重慶交通大學 山區橋梁與隧道國家重點實驗室培育基地,重慶 400074 )

運用ANSYS有限元軟件，以普立特大橋隧道式錨碇為原型進行三維仿真分析。仿真計算了隧道式錨碇在主纜非動力設計張拉荷載下的穩定性；地震時，從錨塞體對主纜動張拉力荷載的響應方面考慮，以錨塞體底面4個角點及錨塞體前后錨面2個頂點為監測點，分析了計算所得的應力及應力幅值。結果表明：錨塞體前錨面質點的響應比錨塞體后錨面質點響應更加強烈。

橋梁工程；隧道式錨碇；動張拉；時程曲線

由于具有開挖量低、對環境擾動小和造價較低等優點，隧道式錨碇在懸索橋錨碇工程中應用日益廣泛[1-7]?，F階段對隧道錨結構及邊坡巖體進行對比和評價的文獻大多通過靜力分析來探索錨碇的結構受力和狀態，對于處于地震狀態和車橋或者車橋風綜合作用下的動力特性而言，研究是遠遠不夠的。筆者結合工程實例，采用有限元數值模擬軟件ANSYS對隧道式錨碇作仿真分析。將對隧道式錨碇系統在受到地震作用引起的主纜動張拉響應進行模擬，重點分析敏感部位錨碇的變形以及洞口邊坡的穩定，以期獲得可能的破壞模式。

在地震時懸索橋橋墩、橋梁及纜索等結構響應產生大位移、大變形，主纜荷載在地震時會產生附加動張拉荷載，通過鋼纜傳遞給錨塞體，使得錨塞體與圍巖一起響應，此工況是在常規靜力荷載基礎上再輸入主纜的附加動張拉荷載，計算結果為錨碇對常規靜力荷載響應與地震時主纜附加動張拉荷載響應的疊加。

1 工程背景

普立特大橋位于普宣高速公路第4合同段處，跨越普立大溝，為國道橫12普立(黔滇界)至宣威高速公路工程，是普宣高速公路控制性工程。普立特大橋采用了隧道式錨碇，隧道錨區位于走向南西山脊，順山脊北西側發育一沖溝，沖溝切深約80 m，錨碇區地面高程1 805～1 835 m，地形坡度30～35°，其左側錨碇基本順一走向南西的小沖溝展布，沖溝寬約10 m、切割深度約5 m。

該大橋地處地震發育帶，經常發生5.0級以上的地震，嚴重威脅著該大橋的運營安全。橋址區隧道式錨碇地質巖體主要以灰巖和白云巖為主，巖土物理性質設計參數如表1。

錨塞體混凝土與洞壁巖體黏結強度一般由試驗確定，黏結強度τq=1.0 MPa。

根據普立特大橋隧道式錨碇主要工程材料，錨塞體采用C30混凝土，栓塞體和預應力鋼束的計算參數見表2。

表1 巖土物理力學性質設計參數

表2 錨塞體及預應力鋼束參數

2 考慮設計荷載的主纜張拉

2.1 模型建立

把錨塞體看作理想彈性材料，采用3D等參實體單元So1id65單元模擬混凝土錨塞體，共有Solid65單元2 674個，為掃略方式生成六面體單元，節點3 000個。把巖體看作理想彈塑性材料，單元采用Drucker-Prager屈服準則的空間等參實體單元，共有Solid45單元14 530個，為掃略方式生成六面體單元，節點8 123個，預應力筋采用Link單元，共有Link單元826個，節點885個。數值模型如圖1。

圖1 ANSYS數值模型Fig.1 ANSYS numerical model

錨區巖體的設計參數取值見表1?；炷僚c圍巖摩擦系數均取0.65；圍巖材料的摩擦角φ=30°；內聚力c=1.0 MPa。錨塞體及預應力鋼束參數取值見表2，采用溫控法張拉預應力筋，預應力鋼束的溫度膨脹系數k=2.0×10-5。

錨塞體的外表面和圍巖表面之間將構成面面接觸對。利用接觸單元能夠考慮錨塞體和圍巖之間接觸面的固定、滑動和張開這3種接觸狀態，能夠模擬圍巖的初始間隙和初始應力的穿透，并能夠模擬初始狀態的兩物體間的摩擦滑動、張開、閉合。對于錨錠與圍巖相互接觸的區域采用atgret170和ocntact174接觸單元模擬接觸面[8]。

為了增加錨塞體混凝土的整體剛度及抗拉強度，在錨塞體內配置預應力鋼束，通過錨固系統將預應力鋼束錨固其中，列與列預應力鋼束位置相互錯動，預應力鋼束間距1 m。ANSYS中預應力筋采用Link180單元，共有Link180單元826個，節點885個，見圖2。

圖2 錨塞體前錨面預應力鋼束布置圖Fig.2 Anchor plane prestressed steel beam layout

預應力鋼束彈性模量Ee=2.0×105MPa，泊松比μ2=0.3，采用溫控法張拉預應力筋，鋼筋的溫度膨脹系數k=2.0×10-5。

2.2 主纜靜力張拉計算

根據設計，普立特大橋錨碇處主纜實際恒載纜力為80 842 kN，主纜纜索與水平面夾角為42°。錨塞體前錨面與散索鞍張拉多束鋼纜來傳遞主纜張拉力(圖3)。假設所有鋼束平均分擔主纜的張拉荷載，鋼束數為59束，則每根鋼束拉力1 370.203 kN。模型中將每根鋼纜的設計荷載等效為錨塞體前錨面的節點力，通過節點力的施加，模擬主纜對錨塞體的張拉。

圖3 主纜張拉示意Fig.3 Main cable tension diagram

錨塞體在主纜張拉作用下有沿著主纜荷載方向的運動趨勢，見圖4(a)。當錨塞體受到主纜的張拉作用，錨塞體將荷載傳遞給周圍圍巖，從圖4(b)結果可以看出，錨塞體上部巖體及邊坡豎向拉應力較大，后錨室后部巖體也出現拉應力區。 而錨塞體下部由于巖體自重場的存在，呈現有梯度形狀的壓應力區(隨著高程的減少，巖體內豎向壓應力逐漸增大)。

圖4 錨塞體與圍巖作用應力計算結果(對稱剖面)Fig.4 The calculation results of anchor plug and surrounding rock stress

通過ANSYS后處理器，提取錨塞體第一強度應力計算結果〔圖5(a)〕。由于預應力張拉的效果，在前后錨面中間區域出現圓面域壓應力區；錨塞體拱頂受到圍巖的擠壓出現壓應力區，因此在工程錨塞體施工中，應注意壓應力區(前錨面到后錨面方向8～25 m)的鋼拱架采用加固工程措施。從圖5(b)可以看出，當受到主纜張拉作用下錨塞體總位移量沿著錨塞體軸向層狀分布，在前錨面位移量最大(50.455 m)，沿著軸向逐漸減小。施工中，在前錨面處應加強鋼筋網布設、混凝土噴漿、錨桿的施作等，將錨塞體緊密鑲嵌于圍巖中，增加錨塞體與圍巖的整體性。

圖5 主纜張拉荷載下錨塞體計算結果Fig.5 The calculation results of main cable tensile load of anchor plug body

3 主纜附加動張拉計算

〗在地震時懸索橋橋墩、橋梁及纜索等結構響應產生大位移、大變形，主纜荷載在地震時會產生附加動張拉荷載，通過鋼纜傳遞給錨塞體，使得錨塞體與圍巖一起響應，此工況是在常規靜力荷載基礎上再輸入主纜的附加動張拉荷載，計算結果為錨碇對常規靜力荷載響應與地震時主纜附加動張拉荷載響應的疊加。

3.1 模型建立

根據普立特大橋錨區勘探斜洞地震波測試資料，隧道錨碇的動力學參數參照靜力參數計算，普立錨區的巖體材料和錨碇動力參數見表3。

表3 錨區巖體和隧道式錨碇動力參數

主纜動張拉模型幾何尺寸與靜力計算尺寸相同。

筆者采用人工合成主纜動張拉荷載時程作為地震動輸入，建立數值模型對隧道式錨碇子結構錨塞體在主纜動張拉荷載作用下的響應進行計算分析，探討地震作用下錨塞體的動力響應規律及其破壞失穩特點。地震動力特性取決于地震動的振幅、頻譜和持時。采用研究區50 年超越概率為63%的地震時主纜動張拉荷載的比例系數ξ，根據主纜承載設計張拉力T，運用高斯分布的隨機數人工合成地震主纜動張拉荷載時程曲線，見圖6。

主纜地震響應荷載與常規設計荷載疊加后作用給錨塞體，再由錨塞體傳遞給周圍圍巖?？紤]地震時主纜纜索的柔性阻尼，地震動張拉具有一定的間歇性，計算主纜動荷載頻率為0～2 Hz。

圖6 主纜地震隨機響應荷載Fig.6 The main cable random seismic load

3.2 計算結果及分析

在錨塞體底面角點及頂面頂點布置6個監測點，前錨面角點S2，S3；后錨面角點S1，S4；前錨面頂點S5；后錨面頂點S6；見圖7。通過ANSYS時間后處理器得到監測點的位移、應力的時程響應。

對S1～S6監測點，從ANSYS時間后處理器中分別提取x，y軸方向位移(由于錨塞體主要在x-y平面內運動，z軸方向位移很小，因此不考慮在z軸方向位移)，計算結果得到監測點的位移時程曲線見圖8。

圖7 錨塞體監測點Fig.7 Monitoring point of anchor plug body

圖8 S1～S6監測點位移時程曲線Fig.8 Curve of monitoring point displacement from S1 to S6

對計算結果進行統計，由于計算結果中包括靜力荷載的響應，取S1，S3，S5，S6監測點的位移幅值范圍寬度ΔU作為觀測量，數值結果見表4。

表4 S1，S3，S5，S6監測點位移幅值

從6個監測點的位移時程曲線可以看出：監測點S1～S6在y軸向位移峰值較小，y軸向振動不明顯；在x軸，z軸向位移振型大體一致，而y軸向振型差別較大；從錨塞體底面S1～S4觀測點可以看出，錨塞體前錨面角點S2，S3在x軸向位移振動較錨塞體后錨面角點S1，S4劇烈；在x，y軸方向，0～4.4 s及6.35～10.65 s時間段內振動較為劇烈；前錨面頂點S3監測點在x軸向位移幅值最大，幅值范圍寬度ΔU(x)=0.2 mm。

4 結 論

1)計算了普立特大橋隧道式錨碇模型在主纜設計張拉荷載作用下錨區巖體和錨塞體的靜力響應。驗算其常規設計荷載作用下的承載能力滿足設計要求。

2)地震時，從錨塞體及洞口邊坡對主纜動張拉力荷載的響應方面考慮。以錨塞體底面4個角點及錨塞體前后錨面2個頂點為監測點，通過計算出來的應力及應力幅值分析，得到錨塞體前錨面質點的響應比錨塞體后錨面質點響應更強烈；在約0～4.4 s及6.35～10.65 s時間段內錨塞體監測點振動強烈，錨塞體和圍巖的緊密接觸導致接觸圍巖質點塑性應變積累加劇等。

3)通過錨塞體對主纜動張拉力的響應分析結果，分析錨區巖體及隧道式錨碇的動力穩定性，對隧道式錨碇的加固及抗減震措施的提出提供了參考。

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Analysis of Mechanics Response for Tunnel Anchorage to Dynamic Tension Force from Main Cable

Li Ming, Yuan Xiaowei, Chen Qi, Hu Jun

(State Key Laboratory Cultivation Base for Bridge & Tunnel Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

By using the finite element software ANSYS, the tunnel anchorage of Puli Bridge was analyzed. The stability of tunnel anchorage under non-dynamic tensile load in the main cable was calculated. When earthquake occurs,with the consideration of anchor piug body to tensile load in main cable, the four corners of the bottom surface and the two vertexes of front and back surface were monitored. Through the stress and stress amplitude analysis of monitored points, it shows that the response of the plug body of former anchor surface is more strongly than that of the back surface.

bridge engineering; tunnel anchorage; dynamic tension force; time curve

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.06

2014-09-30；

2014-11-26

山區橋梁與隧道國家重點實驗室培育基地基金項目(CQSLBF-Y13-3)

李 明(1978—)，男，河南南陽人，副教授，博士，主要從事公路隧道與巖土工程方面的研究。 E-mail：lijianming7805@126.com。

U442.5+5;TU454

A

1674-0696(2015)02-024-04