武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇應力與變位分析

閆衛玲， 鄧友生

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇應力與變位分析

閆衛玲， 鄧友生

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]錨碇為懸橋的關鍵結構之一，其受力的合理性關系著懸索橋在施工與運營階段的安全性?；谖錆h鸚鵡洲長江大橋北錨碇基礎，運用三雛有限元件ADINA對北錨碇施工過程進行了模擬，并對錨碇施工完畢后的應力與變位進行了分析。分析結果表明：武漢鸚鵡洲長江大橋錨碇應力及變位的大小均滿足規范要求，北錨碇基礎的設計與施工方案都是合理的。

[關鍵詞]錨碇； 應力； 變位； 有限元

隨著我國交通運輸及城市建設事業的迅猛發展，一座座大跨徑懸索橋逐漸修起，大多數己建的大跨度懸索橋都采用重力式錨碇[1-2]。重力式錨碇的基礎一般有沉井、地下連續墻、擴大基礎和樁基礎等形式[3-5]。重力式錨碇的地基反力抵抗了錨塊、基礎與主纜張力的豎向分量，而錨塊與地基的摩阻力平衡了懸索在水平方向的拉力[6-7]。

懸索橋在設計和安全校核時都需要對錨碇系統進行一定的應力分析，這不僅是錨碇配筋的依據，而且為錨碇的安全性評價提供參考，尤其需要對于應力集中處進行一定的分析[8]。整體來說，懸索橋為柔性結構體系，錨碇的最大水平位移與最大垂直位移必須控制在一定數值范圍內，才能保證懸索橋結構體系的整體穩定性[9]。 目前大量學者對重力式錨碇進行了一定的應力與變位分析。吳國光等人利用有限元軟件ANSYS對矮寨大橋重力式錨碇進行了有限元分析，來研究錨碇的應力問題[10]。邵國建等人利用有限元分析軟件Marc對潤揚大橋懸索橋北錨碇進行了仿真數值計算，來研究錨碇在不同的施工階段、錨碇基礎不同部位的接觸應力變化[11]。李文勝采用有限元Marc程序對江西贛州江大橋西錨碇基礎和地基進行了二維有限元數值模擬分析，得到了錨碇基礎底部應力分布規律、齒坎接觸面的應力分布規律以及周圍地層的塑性區發展趨勢[12]。李加平等人采用室內相似模型試驗和數值模擬相結合的方法研究了某懸索橋重力式錨碇變位問題[13]。本文研究的錨碇采用圓形沉井與地下連續墻相結合的新型結構形式，也有與己建成的懸索橋完全不同的建造環境(處于城市中心)，值得深入研究。

基于以上內容，根據武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇工程，通過大型通用有限元軟件ADINA，采用三維計算模型模擬錨碇施工的過程，對錨碇施工完畢后的應力與變位進行了分析，驗證大橋北錨碇的安全性，為類似工程提供參考。

1工程概況和計算模型

1.1工程概況

北錨碇沉井為截面為圓環形且中間圓孔內設有十字隔墻的基礎，小直徑井孔圍繞圓環內圓周一圈布置。八節沉井總高43 m，第一節鋼殼混凝土沉井高6 m，第二到六節鋼筋混凝土沉井高5 m，第七、八節鋼筋混凝土沉井高6 m。沉井內徑41.4 m，第一節沉井外徑為66.4 mm，其他節沉井外徑為66 m。第一節16個小圓孔直徑為9.1 m，第二節為8.3 m，其他節為8.7 m。沉井設計結構見圖1。

因為位于市區的北錨碇沉井在下沉過程中吸泥取土時會引起周圍建筑物和長江大堤的變形及滲流穩定問題，并且沉井施工中存在翻砂的風險，所以在沉井邊緣外側10 m處設一道深55 m、長270 m、寬0.8 m的圓形地下防護墻防護，防護墻與沉井同圓心，中心半徑為43 m，頂部設混凝土結構施工導墻。圓形地下連續墻結構見圖2。

圖 2　圓形地下連續墻結構圖

錨體順橋向全長55.52 m，前端分離，每側橫向寬為5.12 m。錨塊順橋向長3725 m，前端寬10.76 m，后端寬16.4 m。壓重塊長24.7 m，寬16.6 m，前部高17.63 m，后部高17.13 m。錨室側墻厚0.7 m，前墻厚0.5 m。錨體結構見圖3。

沉井下沉施工采用井內除土，依靠沉井自重下沉的方式，下沉最后階段采用空氣幕輔助下沉?？紤]施工工期及地下水位特點，沉井下沉共分三次進行，第一次澆筑1、2節沉井，采用沖吸結合抓斗法取土下沉9 m；第二次接高3、4、5節后不排水空氣吸泥下沉14 m；第三次接高6、7、8節后不排水空氣吸泥取土下沉22 m至設計標高。沉井井蓋施工完成后，優先分8層澆筑鞍部，再分7層澆筑錨塊和壓重

塊，架設貓道的同時分8次澆筑側墻，主纜架設完成后澆筑前墻及頂蓋板，最后施工錨體附屬設施。北錨碇沉井下沉到位后，沉井設計頂標高為+19 m，墩位處地面標高約+23 m，沉井地連墻頂標高+21 m。根據施工取土情況判斷，+19至+23 m標高地質主要為粉質粘土結構，且地下連續墻以外修筑有頂面標高為+23 m的施工環形便道。

圖 3　北錨碇錨體設計結構圖

1.2計算模型

模型土體邊界取264 m×264 m×90 m。計算中X軸沿順橋向，位于主橋中心線上，Y軸沿橫橋向，Z軸垂直向上，坐標原點在圓形沉井頂部中心上。用固定約束來定義模型底面邊界條件，用滾支約束來定義四個垂直面的約束條件。此三維模型共包含土體、沉井、連續墻、封底混凝土、填芯混凝土、蓋板、錨體。本模型中土體分為五層，土體分類及力學參數如表1?？紤]幾何和材料非線性，土體采用八節點六面體實體單元。沉井、封底混凝土、填芯、蓋板和上部錨體都采用四節點實體單元模擬，地下連續墻采用八點六面體實體單元模擬。整體模型單元總數為98 215，結點總數為31 110，基本模擬了結構的特征數值。三維整體模型圖見圖4。

表1　錨碇區土體分類及力學參數

圖 4　三維整體模型圖

2錨碇施工過程的模擬

為了保證模型的計算與實際工程相吻合，提高計算結果的精確性，盡量按照實際施工過程來進行模擬。ADINA中錨碇的施工過程可以通過單元生死定義來實現。計算模型共考慮了以下13個施工階段：

1) 初始地應力計算。

2)澆筑地下連續墻?！皻⑺馈暗叵逻B續墻處土體單元，“激活”地下連續墻單元。

3)下沉一二節沉井。“殺死”一二節沉井處土體單元，“激活”一、二節沉井單元。

4)下沉三、四節沉井?！皻⑺馈比?、四節沉井處土體單元，“激活”三、四節沉井單元。

5)下沉五、六節沉井?！皻⑺馈蔽?、六節沉井處土體單元，“激活”五、六節沉井單元。

6)下沉七、八節沉井。“殺死”七、八節沉井處土體單元，“激活”七、八節沉井單元。

7)澆筑封底混凝土?！凹せ睢狈獾谆炷羻卧?/p>

8)澆筑填芯混凝土?！凹せ睢碧钚净炷羻卧?/p>

9)澆筑錨梁、蓋板?！凹せ睢卞^梁、蓋板混凝土單元。

10)第一層錨體澆筑，厚2 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

11)第二層錨體澆筑，厚3 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

12)第三層錨體澆筑，厚5 m?！凹せ睢? m厚錨體混凝土單元。

13)一次澆筑剩余錨體。“激活”剩余錨體混凝土單元。

3施工完畢后錨碇應力分析

錨碇主應力分布云圖見圖5，當錨碇澆筑完畢后，上部錨體應力分布較下部沉井均勻，分別在側墻及側墻和支墩相接處、壓重塊后端懸臂部分出現了局部拉應力，為0～0.12 MPa之間，沉井的前后兩個中上部側壁出現了大量的拉應力，后側應力變化梯度大于前側，并且在前后兩側壁頂部出現了拉應力集中，最大拉應力值為1.42 MPa，位于后側沉井頂部。沉井前后側底部呈現壓應力狀態，后端壓應力較大，前段壓應力較小。這主要是因為沉井的前半區充填水，后半區為混凝土填芯，再加上上部錨體為非對稱結構，后面為壓重塊，前面為鞍座，使得沉井總體受到偏心荷載，重心偏后，使得沉井后傾。因此在實際工程中鞍部和壓重塊都設置了豎向后澆段，可以避免應力偏高。另外在沉井底部十字隔墻及隔墻與沉井壁交接處出現了拉應力集中，所以在施工時可以加強對十字隔墻部分的配筋。

圖 5　沉井錨碇主應力分布云圖

圖 6　地連墻主應力分布云圖

圖6為地下連續墻的應力分布云圖。地連墻在施工完畢后受到側壁土壓力，其應力值整體大于沉井錨碇的應力。由于地連墻中間土體被施加了一定的沉井自重荷載，這對沉井底部土體產生擠壓，在土體中形成豎向荷載和由土體傳遞至地連墻的橫向荷載，橫向荷載形成對地連墻墻壁的壓力。由于地連墻深度為55 m，沉井底部下沉深度為43 m，沉井底部所在區域則為大應力分布區域。沉井封底完成后繼續其他工步時荷載仍由沉井底部截面傳至土體，因此沉井傳遞來的荷載很容易施加在這一處導致此處應力值增加而對其他區域的應力影響較小，豎向荷載則會由土體向下傳遞至持力層并分散在土層中，所以最大拉應力會出現在地連墻中下部。由于沉井前輕后重的原因，地連墻的前后兩側出現了較大拉應力，大約在0.8～2.4 MPa之間，且最大拉應力位于地連墻后側，為4.09 MPa，其余區域拉應力均小于0.8 MPa。

此外，北錨碇施工完畢后，錨碇的應力大小均符合規范要求。

4施工完畢后錨碇變位分析

錨碇施工完畢后，所產生的水平位移相對于豎向位移均較小，所以此處只討論錨碇豎直位移的分布規律。

圖7為沉井錨碇豎向位移分布云圖，錨碇施工完畢后，出現了一定的沉降，上部錨體和蓋板的沉降值出現了0～5 mm的沉降，小于下部沉井的沉降，且沉井的沉降量自上而下逐步遞減，這是由于底節沉井下沉較早，隨著上部結構的施工，其變形也趨于穩定，此外，沉井后側的沉降量大于前側，這是因為沉井受到偏心荷載，后重前輕，加速了沉井的不均勻沉降，而左右兩側荷載相同，所以左右兩側的沉降量也基本相同。錨碇的最大豎向變形出現在沉井后側頂部。

圖8為圓形地連墻豎向位移分布云圖，地連墻的位移充分顯示了墻體與土體的關系，錨碇施工完成后地連墻出現一定沉降，大多數為1.5～3 mm之間。

圖 7　沉井錨碇豎向位移分布云圖

圖 8　地連墻豎向位移分布云圖

此外，錨碇各部分的最大豎向位移與水平位移都在規范允許范圍內。

5結論

武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇施工完成后沉井與地連墻的前后兩側壁都出現了拉應力偏高。因此施工時注意在錨體的鞍部和壓重塊部設置后澆段來避免應力偏高。另外在沉井底部十字隔墻及隔墻與沉井壁交接處出現了拉應力集中，錨體在側墻及側墻和支墩相接處、壓重塊后端懸臂部分也出現了局部拉應力，所以在施工時可加強對十字隔墻、壓重塊懸臂端處的配筋。錨碇的最大豎向變形出現在沉井后側頂部。此外，錨碇的應力、變位均在規范允許范圍內，說明北錨碇基礎的設計與施工方案都是可行的。

[參考文獻]

[1]張煥.基于有限位移理論的懸索橋纜索體系分析[D].武漢：武漢理工大學,2004.

[2]雷俊卿.大跨度橋梁結構理論與應用[M]．北京：北京交通大學出版社,2007．

[3]鄧友生,熊浩,劉榮,等.武漢鸚洲長江大橋北錨碇施工變位分析[J]巖土力學，2013，34(增刊):241-246，

[4]孟凡超．懸索橋[M].北京：人民交通出版社,2011.

[5]孟凡超,王仁貴.徐國平,等.公橋涵設計手冊——懸索橋[MI.北京：人民交通出版社.2011.

[6]錢冬生,陳仁福.大跨懸索橋的設計與施工[Ml.成都：西南交通大學出版社，1999．

[7]彭德運．大跨懸索橋錨碇基礎的設計與施工[J].鐵道標準設計,2013,(1):19-23.

[8]林榮安．懸索橋重力式錨碇系統受力分析及其優化[D]．西安：長安大學，2008.

[9]Kim H K, Lee M J，Chang S P.Non-linear shape-finding analysis of a self-anchored Suspension bridge[J].Engineering Structures,2002,24(12):1547-1559．

[10] 吳國光,張永健,陳國平,等．矮寨大橋重力式錨碇應力分析[J].橋梁建設，2013,43(6):40-44.

[11] 邵國建,蘇靜波,胡強.潤揚大橋懸索橋北錨碇基礎接觸應力反正分析[J]．中國工程科學,2006,8(6):28-23.

[12] 李文勝,賴允瑾,吳昌將.懸索橋錨碇結構2D有限元數值模擬與分析[J].地下空間與工程學, 2009，5(增刊):1768-1775．

[13] 李家平,李永盛,王如路.懸索橋重力式錨碇結構變位規律研究，巖土力學,2007,28(1):145-150.

[責任編校： 張巖芳]

Stress and Displacement for the North Anchorage of Yingwuzhou Yangtze River Bridge in Wuhan

YAN Weiling, DENG Yousheng

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Abstract：Anchorage is one of the key structures of suspension bridge, and its proper stress ensures the safety of suspension bridge construction and operation. Based on the north anchorage of Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge, this paper simulated the construction process of north anchorage by using the ADINA software and also analyzed the stress and displacement of Anchorage after the project had been finished. The results indicate that the intensity of stress and displacement of anchorage can satisfy the code requirements, and the design and construction scheme of the north anchorage foundation is reasonable. Keywords： anchorage; stress; displacement; finite elements

[收稿日期]2015-03-31

[基金項目]中鐵大橋局集團第六工程有限公司武漢鸚洲長江大橋項目

[作者簡介]閆衛玲(1989-)， 女，陜西商洛人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為橋粱基礎工程

[文章編號]1003-4684(2016)02-0093-03

[中圖分類號]U443

[文獻標識碼]：A