甌江北口大橋加勁梁吊裝對南錨碇沉井力學性能影響研究

胡光曉，王 炎，楊 予，王曉陽，羅 瀟

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401120)

重力錨是懸索橋常采用的錨碇形式之一，其變位及其力學性能直接影響了懸索橋的穩定性、安全性、耐久性等性能[1- 4]。針對這方面的研究方法主要包括理論分析方法(剛體分析法等)、室內模型試驗、數值模擬法[5- 7]。隨著有限元軟件的發展，相較于前2種方法針對性比較單一的特點，現場實測加上數值模擬方法能夠綜合多方面影響因素，對錨碇力學性能進行全面分析，為懸索橋錨碇沉井的變位、錨體及地基土的應力狀況提供一定的參考意見。

張計煒[8]以強潮河口處深厚淤泥層地質條件下的溫州甌江北口大橋中塔超大型水中沉井基礎為研究對象，通過實測數據以及數值模擬結果，探討沉井下沉過程中的基底端阻力和側壁土壓力受力特征隨入土深度的變化規律及影響因素，并利用理論分析方法對軟土地基中沉井的突沉力學機理進行研究。文海等[9]以云南虎跳峽大橋為研究背景，采用巖土體原位試驗、靜力學分析方法同時建立沉井和臨近土體的有限元模型，分析了重力錨應力分布與變位。馮傳寶[10]針對五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎底板施工至主梁架設完成等工況，采用Abaqus軟件建立錨碇、鄰近橋墩以及土體有限元模型，結合現場監測數據，分析不同工況下沉井基礎變形與受力狀態、基礎底部持力層的應力路徑以及錨碇變位對鄰近引橋墩的影響。

以往的研究主要集中在對沉井下沉、錨碇施工狀態以及成橋設計索力作用下對錨碇的變位及應力狀態進行研究，對錨碇主體施工完成后，主梁吊裝過程中主橋主纜力動態變化對錨碇的影響的研究較少。本文以溫州甌江北口大橋南錨碇為研究背景，考慮到南錨沉井基礎在主纜架設、主橋加勁梁吊裝等施工過程中可能發生較大的沉降和位移，進而影響到建立在錨碇上的引橋橋墩以及引橋第一聯上下層的受力狀態[11]。故采用現場布置監測系統以及有限元模擬對南錨碇在主橋加勁梁吊裝過程中發生的變位及應力狀態變化開展研究。

1 工程概況

溫州甌江北口大橋主橋采用三塔四跨連續雙層鋼桁梁懸索橋的結構形式，主橋布置圖如圖1所示，該橋上層為高速公路，下層為南金公路，南金公路和高速公路都按雙向6車道布置，梁跨布置215+800+800+275=2090m[12- 13]。

圖1 溫州甌江北口大橋主橋立面布置圖(單位：m)

南錨碇區位于溫州市靈昆島上，線路與新建海堤正交于里程K277+100～150處。錨碇區上部為全新統沖海積、海積淤泥質黏土夾粉砂、淤泥等，厚33.6m左右，具高壓縮性、易擾動變形、承載能力低等特性，工程地質條件差。其中錨錠區前緣層淤泥質粉質黏土夾粉砂底部埋深11.1～15.5m處軟土砂質含量較高；中部分布海積黏土、沖海積粉砂，性質較差。底部分布為卵石層，呈中密～密實狀，層位穩定，工程性質較好，其中卵石層(第一卵石層)頂面標高-58.81～-60.91m。錨碇區上部經過拋石擠淤處理，下部經樁基加固處理。

南錨碇為重力式錨碇如圖2所示，基礎采用沉井結構形式。沉井頂面高程+4.0m，沉井底標高-63.5m，置于密實卵礫石層；沉井順橋向長度70.0m，橫橋向寬度63.0m。沉井共分十三節，第一節為鋼殼混凝土沉井，第二～第十三節均為鋼筋混凝土沉井。沉井標準井壁厚2.0m，隔墻標準壁厚1.2m；頂板厚6.0m;封底厚度10m，標準節段共分30個(10.0m×10.84m)井孔，井壁采用C30海工混凝土，封底采用C30水下海工混凝土，沉井隔腔填芯材料包括C20水下混凝土和灌注水。錨碇4個沉降及水平位移測點D1、D2、D3、D4位置如圖2(b)所示。

圖2 南錨碇沉井基礎結構圖(單位：cm,標高：m)

2 有限元模擬

2.1 材料參數及本構模型

依據設計說明中地勘報告，將地基土分為11層，各土層參數見表1，利用軟件提供的修正摩爾-庫倫本構對土體進行模擬[14]。其余結構均利用線彈性模型進行模擬，上部錨塊為C35混凝土，為滿足強度要求散索鞍支墩采用C40混凝土，沉井基礎井壁材料為C30海工混凝土，封底混凝土型號為C30水下海工混凝土，井孔填芯采用C20水下混凝土，材料計算參數包括各型號混凝土的容重，彈性模量和泊松比。

2.2 幾何模型及網格劃分

本文采用有限元軟件Midas GTS對主橋主梁架設過程南錨碇沉降變形進行模擬，建立錨塊-沉井-地基模型如圖3所示，X軸正向為大里程方向，Y軸正向為河流下游側方向。地基土計算影響范圍：根據基坑開挖深度為63.5m，基坑模型影響寬度邊界大約取基坑邊界到模型邊界開挖深度的3倍，取200m，深度邊界計算影響范圍為基底以下2倍的基坑開挖深度左右，取140m。模型的整體尺寸為470m×470m×140m。網格采用以六面體單元為主的混合網格進行劃分，同時對模型散索鞍支墩位置進行局部網格劃分，便于主纜拉力的添加。該有限元模型共離散為179353個單元及154210個節點。

表1 土層參數

圖3 有限元模型圖

荷載及邊界包括在土體底面進行完全固結約束，土體模型外部4個側面上施加水平約束，豎直方向約束釋放，允許位移發生。計算模型中，沉井基礎井壁與地基土之間可能發生滑動，且二者的剛度差異較大，故在二者之間設置界面單元[15]。界面模型遵循庫倫摩擦法則，即假設界面摩擦力與界面的摩擦系數和作用于界面的法向約束力的大小成比例，界面單元材料根據相鄰的土體和混凝土的剛度和非線性參數來得到不同界面材料參數，主要是法向剛度模量Kn和切向剛度模量Kt，其計算公式如下所示：

Kn=Eoed，i/tv，Kt=Gi/tv

(1)

式中，

自重荷載利用軟件自行添加，主纜拉力以集中力荷載形式作用在理論散索點并根據主纜拉力動態變化設置大小和入射角度，在理論散索點和前錨面之間設置剛性連接，將主纜荷載傳遞至錨體內部。

2.3 施工階段劃分

考慮到在長時間的自身重力作用下工程實地土體已基本完成壓縮變形，并形成初始地應力場，該應力會影響重力錨對地基土的應力[16]。針對這一情況，軟件模擬過程中，為土層施加自重后需對土層進行位移清零，并建立地基土的初始應力場。該步驟可通過軟件施工階段設置中的位移清零功能實現。

同時根據主橋主梁架設進度以及實際監測日期劃分，選取主纜拉力變化較大的幾個工況，以沉井錨塊施工完成為初始狀態，其中主纜拉力計算根據現場實際施工狀態進行提取，計算共分為12個施工工況，具體見表2。

表2 施工工況

3 監測及計算結果分析

3.1 沉井基礎變形分析

3.1.1沉降分析

通過有限元模擬計算得到錨碇D1、D2、D3、D4共4個測點的沉降理論計算值與現場實測值進行對比，結果分別如圖4所示。可知：①工況2情況下，錨碇4個角監測點的實測沉降值增長較快，但是小里程側D1、D2測點的沉降值小于大里程側D3、D4測點，表明錨碇沉井向大里程側轉動。這是由于錨碇施工過程中，沉井隔腔填芯小里程側為灌注水，大里程側為C20混凝土，二者容重不一樣以及上部錨塊的混凝土體積不均勻分布引起的；②工況3—12，小里程側D1、D2測點的沉降實測值與計算值均進一步增大，截至工況12，最大實測沉降值為-5.9cm，而大里程側D3、D4測點沉降值減小，截至工況12，最大實測沉降值為-2.5cm。這是由于隨著主梁架設進度的進行，主纜拉力逐漸增大，重力錨會在主纜水平拉力和背離土體豎直向上的拉力2個分力的作用下發生向小里程側的轉動，使得小里程側沉降加劇，大里程側沉降幅度減小；③在相同工況作用下，下游測點D1、D4的沉降值與上游測點D2、D3的沉降值存在一定的差別，這是由于上下游基底持力層并非完全均勻分布導致的；④錨碇沉降滿足規范[17]規定的重力錨豎向變位的最大值應小于2/10000的主跨跨徑的要求。4個測點的實測值與計算值雖然在數值上存在一定偏差，但差異較小且趨勢一致，有限元模擬較好地預測了錨碇的沉降規律，偏差的存在是由于現場施工狀況以及地質情況復雜導致的。

如圖2(a)所示，南引橋S02、S03號墩位于錨碇上，通過上述沉井基礎沉降位移分析可知主橋施工完成后錨碇小里程側沉降大于大里程側，南引橋S02、S03號橋墩隨著錨碇位移偏轉也發生了相應的轉動。故依據現場實測數據并利用有限元模型進行校對，對南引橋第一聯S02號墩、S03號橋墩對應處節段梁分別采取抬高40.0mm和抬高8.0mm的頂升措施，保證南引橋節段梁的結構安全。

3.1.2水平位移分析

對于水平位移，由于錨碇橫橋向的錨體重度差異較小，且不存在橫橋向的外荷載作用，故只考慮對縱橋向的水平位移進行分析。水平位移從工況2錨碇施工完成后開始分析，表3給出了錨碇4個測點順橋向水平位移的理論計算值和實測值。

表3 錨碇4個測點水平位移值 單位：cm

根據表3數據分析可得：①南錨碇水平位移滿足規范[17]要求的重力錨水平變位允許的最大值應小于1/10000倍的懸索橋主跨跨徑的要求。現場實測數據與理論結果較為接近，有限元模擬能較好地反映南錨碇的水平變位規律；②工況2南錨碇施工完成后在自重作用下，由于沉井隔腔填芯材料不一致以及上部錨塊大里程方向鋼筋混凝土質量大于小里程方向，錨碇發生由小里程向大里程的轉動，測點位移數據表現為正值，即錨碇順橋向發生了向大里程方向的水平位移；③從工況3主纜架設開始至主橋鋼桁梁吊裝完成，主纜拉力逐漸增大，錨碇順橋向逐漸向小里程方向發生水平位移。測點位移數據表現為由正值轉變為負值。4個測點計算值與實測值相差不大，沉井基礎水平位移計算結果與實際位移規律較為貼合。

圖4 錨碇沉降趨勢圖

3.2 錨碇沉井受力分析

主纜拉力以集中力的方式作用在理論散索點，并通過剛性連接將力傳遞到錨塊防止局部單元畸變。主纜拉力作用下根據有限元軟件計算得到錨碇受到的最大應力為1.15MPa，位于前錨面與散索鞍支墩側墻交界位置，該部位混凝土材料為C35，其抗拉強度為1.57MPa，故在最大主纜拉力作用下，仍滿足要求，具體應力云圖如圖5所示。

圖5 最大主纜拉力作用下錨塊應力分布圖

結合前述位移分析可知，在重力錨的自重作用和主纜拉力作用下，錨碇沉井將會發生一定的變位。這會使得位于土體中的沉井基礎側壁受到的壓應力發生變化。不同工況下沉井基礎大小里程側井壁受到的壓應力如圖6所示。

圖6 各工況下大小里程沉井側壁壓應力

由圖6可知：①大里程側沉井基礎頂部與地面交接處，出現局部的應力集中現象，各工況下沉井側壁壓應力均隨著沉井基礎埋置深度的增大而增加，在接近沉井底部時達到最大值，隨后逐漸減小，直至基礎底部。這是考慮到在沉井底部,由于井壁側向相鄰土體與其下方井底的土體之間存在著摩擦應力，導致沉井最下方的井壁原先所受的來自側向的上壓力中的一部分通過土體內部的摩擦應力傳遞到井底下方的土體中，形成一定的分擔效應，這種效應越接近沉井底部越明顯。因此在沉井底端的一范圍其井壁所受土壓力明顯降低，且越接近底部所受土壓力越小，而在沉井上部這種效應對沉井的影響很小，不會對土壓力分布造成大的影響；②工況3—12，隨著主纜力增加，沉井基礎向小里程側發生一定程度的偏轉和平動，使得小里程側沉井井壁受到的壓應力增大，大里程側沉井井壁受到的壓應力減小。

3.3 沉井基礎底部地基土受力結果分析

錨碇整體施工完成后，其結構強度更大，自身上部錨塊的質量和外部荷載能更好地通過沉井整體向周邊土體傳遞。后續施工對沉井自身結構應力影響較小，對基底持力層的變形受力影響較大。故對不同工況下沉井基礎底部地基土沿錨碇順橋向長度的應力分布進行分析，結果如圖7所示。

圖7 不同工況下沉井基礎底部地基土應力

由圖7可得，工況2時重力式錨碇主體施工完成后，在重力的不均勻分布影響下，其向大里程側發生轉動，大里程側地基土受到的壓應力大于小里程側受到的壓應力，基底持力層小里程側(沉井順橋向0～35m范圍)壓應力平均值為-1.65MPa，大里程側(沉井順橋向35～70m范圍)壓應力平均值為-1.77MPa，最大壓應力為-1.85MPa，位于大里程側沉井井壁底部地基土。從工況3主纜架設開始，隨著主橋加勁梁吊裝進度進行，錨碇逐漸向小里程側發生轉動，小里程側地基土壓應力逐漸大于大里程側，至工況12時，基礎底部地基土小里程側和大里程側受到的壓應力平均值分別為-1.75MPa和-1.51MPa，最大壓應力為-1.88MPa，位于小里程側沉井井壁底部地基土。由此可見，基底持力層受到的均為壓應力，根據地勘結果均滿足地基承載力要求，施工過程中未發生脫空現象。不同部位應力變化趨勢不同是受錨碇偏轉影響，同時也滿足沉井在架纜前為后傾、架纜后為前傾的轉動規律。

4 結論

本文基于溫州甌江北口大橋南錨碇，通過現場建立監控測點，并結合有限元數值模擬對重力錨自重以及主纜拉力作用下南錨碇及其鄰近土體的變位和應力進行分析，得到以下結論：

(1)受沉井隔腔填芯以及上部錨塊質量不均勻分布影響，錨碇沉井發生不均勻沉降、偏轉和水平變位，主橋鋼桁梁吊裝過程中主纜拉力變化使得錨碇變位繼續發展，變位以沉降變形為主，偏轉以及水平位移量較小。整體變位規律符合架纜前為后(向大里程側)傾、架纜后為前(向小里程側)傾的轉動規律。南引橋S02、S03號墩位移錨碇上，通過對錨碇變位的監測，可為錨碇上行引橋節段梁的頂升工作提供依據。

(2)最大主纜索力下，錨碇受到的最大拉應力為1.15MPa，位于前錨面與散索鞍交界側墻位置，小于該區域混凝土抗拉強度1.57MPa，滿足要求。受偏心荷載及主纜拉力影響，沉井基礎大小里程側井壁所受壓應力發生變化，變化規律符合錨碇變位規律。

(3)沉井基礎底部持力層受到的均為壓應力，且滿足錨碇區地基承載力要求，施工過程中未發生脫空現象。受上部結構物的變位影響沉井基礎底部不同部位地基土應力變化趨勢不同。

(4)在保證參數準確，模擬合理情況下，有限元法對于結構物的安全性分析具有較高價值。