香麗金沙江大橋重力式錨碇綜合安全評價*

楊小兵，王康云，李春曉，尹小濤，喬文號，5

（1.云南建投基礎工程有限責任公司 云南 昆明 650217）

（2.云南麗香高速公路投資開發有限公司 云南昆明 650217）

（3.云南省交通規劃設計研究院有限公司 云南 昆明 650031）

（4.中國科學院武漢巖土力學研究所 湖北 武漢 430071）

（5.中國科學院大學 北京 100000）

0 引言

地錨式懸索橋通過錨碇承受主纜傳遞的橋梁荷載，重力式錨碇，適用地層廣泛，在作業允許條件下，經常作為地錨選型[1-3]；其缺點在于施工作業面大，開挖造成的環境改變較大，錨碇體型龐大[4-5]。重力式錨碇設計理論簡單，但其承載機制是科學評價、理論提升、挖潛增效和安全控制的基礎，仍需重視。

當前重力式錨碇的設計和評價主要依托懸索橋和橋涵設計規范[6-7]，評價指標主要包括：材料強度、地基承載安全、變形穩定和結構安全（抗滑移穩定性系數和抗傾覆穩定性系數）。設計計算主要是依托錨碇的重量和地基的摩擦承載實現抗滑控制。研究主要集中在現場試驗測定準確的混凝土-地基摩擦參數[8-10]；數值仿真計算結構應力、基底應力、變形和抗滑移穩定性系數，系統評價結構安全[11-15]；模型試驗評估結構是否滿足設計條件[16-17]。問題在于沒有考慮結構與地基的協同作用，不同評估指標之間沒有考慮協調一致，即極限或者安全的標準不同，協調統一且適用于錨碇自身特征的指標及標準是探索的終極目標。

依托香麗高速公路虎跳峽金沙江大橋麗江岸重力式錨碇工程，利用勘察和設計提供的基礎數據，在規范提供的評價指標和計算方法下，探討了不同評價指標的極限特征和安全標準，綜合論證了錨碇的穩定性，為同類錨碇的安全評價提供參考，也為適用于錨碇自身特征的指標及標準進行了敏感性排序和敏感參數建議。

圖1 單塔單跨地錨式懸索橋剖面

1 工程概況

1.1 香麗虎跳峽金沙江大橋概況

主橋為766m 獨塔單跨地錨式鋼桁梁懸索橋，索塔為鋼筋混凝土門型塔，下游塔柱高153.3m，上游塔柱高137.3m。主橋加勁梁為鋼桁架，橋寬26m，公路-Ⅰ級汽車荷載。麗江岸采用擴大基礎重力式錨碇，香格里拉岸采用隧道式錨碇。地震基本烈度：Ⅷ度。地震動峰值加速度：0.3g。

勘察單位根據鉆探、平硐試驗和現場試驗綜合確定了設計所需計算參數，見表1。

表1 設計所需計算參數

1.2 麗江岸重力式錨碇

麗江岸重力式錨碇見圖2。最不利荷載組合主纜力4.0×105kN，錨碇總重量約2 009 450kN，錨碇總長度72m，寬度50m。結構地基摩擦系數0.59。

抗滑動穩定性系數ka>2.0，抗傾覆穩定性系數kc>3.0，水平變形值不大于76.6mm（萬分之一主跨），豎向位移不大于153.2mm（萬分之二主跨），基底應力小于地基容許承載力。

利用CAD 的質心求解命令，求取幾何圖形的質心（40.8，13.9），由于對稱性x 方向的位置求解準確，不同力的大小和力臂信息統計列于表2。

根據《公路懸索橋設計規范》JTG/T D 65-05-2015 第8.4.1 條規定了抗傾覆穩定性及抗滑動穩定性標準、第8.4.2 條規定了基底應力安全標準、第8.4.3 條規定了變形穩定標準。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63-2007 第4.4.1 條規定了抗傾覆穩定性系數的計算公式；第4.4.2 條的規定了抗滑動穩定性系數的計算公式；《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63-2007 第4.2 條規定了偏心條件下的基底應力計算公式，進行重力式錨碇綜合安全評價。

2 麗江岸重力式錨碇綜合安全評價

2.1 不同指標的極限分析

根據抗傾覆穩定性系數公式，代入表2 參數，則得到kc=5.3，大于3.0，當前設計下，結構抗傾覆性能安全可靠。基于偏心考慮的抗傾覆穩定性系數評估錨碇結構的整體抗轉動性能及安全，可知2.2P 下kc=2.0；3.6P 下kc=1.0，即當前設計重量下，橋梁2.2P 下不再滿足規范抗傾覆要求，3.6P下會因為傾覆失穩，即該指標揭示的極限承載。

根據抗滑動穩定性系數公式，代入表2 參數，則得到ka=3.2，大于2.0，當前設計下，結構抗滑動性能安全可靠。當前設計重量下，橋梁1.5P 下不再滿足規范抗滑動要求，2.6P 下會因為滑動失穩，即該指標揭示的極限承載。

根據考慮偏心作用的基底應力公式，代入表2 參數，則得到Pmax=634kPa，Pmin=410kPa，當前設計下，地基承載安全。當前設計重量下，橋梁3.4P 下基底會出現拉應力，Pmax 依然小于中風化板巖容許承載力1 100kPa，不再滿足基底應力控制要求，即該指標揭示的極限承載。

假設地基為孤立的塊體，利用胡克定律，計算水平位移和豎向位移，假設水平向尺度72m，豎向72m，代入表1 和2 參數，則得到Dh=5.2mm，Dv=7.5mm，分別小于水平和豎向變形控制標準，當前設計下，變形穩定。在不考慮地基不均勻性的前提下，變形穩定，變形不敏感。如果考慮地基不均勻性，強風化的模量可按0.2GPa，則1P 下，Dh=90.4mm，Dv=131.6mm，水平變形不滿足要求。

圖2 麗江岸重力式錨碇

表2 錨碇作用力系

圖3 重力式錨碇受力簡圖

表3 各指標揭示的超載極限值

各指標揭示的極限承載，考慮地基不均勻性下的變形穩定<抗滑動穩定性系數<地基承載安全<抗傾覆穩定性系數，這也是錨碇結構安全評價指標的敏感性。

2.2 麗江岸錨碇的綜合安全評價

麗江岸重力式錨碇在當前設計下是安全，而且麗江岸重力式錨碇基坑開挖后，一定要對基底發現的碎石土和強風化板巖進行地基處理和加固處置，否則不均勻沉降可能造成結構轉動失穩。

如果基底全部為中風化板巖，各指標均滿足規范要求的橋梁荷載為1.5P；2.6P 之后滑動失穩，3.4P 之后基底出現拉應力，3.6P 之后轉動失穩。由此可知，1.0-1.5P 可穩妥挖掘，1.5-2.6P慎重使用，2.6-3.6P 部分指標失效。

2.3 麗江岸錨碇重量優化

在上述基礎上對錨碇重量優化，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，在減重則全面失穩。從分析可知，減重30%，則各指標均滿足規范要求；減重50%，僅抗滑動指標不滿足規范要求，其余指標均滿足規范要求；減重60%，滑動處于臨界狀態，抗傾覆指標不滿足規范要求，其余指標均滿足規范要求；減重70%，滑動、傾覆和地基均處于臨界狀態，這是需要避免的。0-30%的重量優化是穩妥的，50-60%需要慎重對待，錨碇不能出現低于40%的有效重量的情況。

3 結語

（1） 香麗高速公路虎跳峽金沙江地錨式懸索橋麗江岸重力式錨碇，在當前設計下，抗滑動穩定性系數3.2，抗傾覆穩定性系數5.3，地基承載安全。基底一旦出現碎石土和強風化板巖需進行地基處理，否則可能造成結構變形失穩。

（2） 各指標揭示的極限承載，考慮地基不均勻性下的變形穩定<抗滑動穩定性系數<地基承載安全<抗傾覆穩定性系數。

（3） 其余設計參數不變時，0%～30%的重量優化是穩妥的，50%～60%需要慎重對待，錨碇不能出現低于40%的有效重量的情況。