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1、大跨径悬索桥隧道锚设计及结构性能评价44桥梁建设2005年第2期文章编号:10034722(2005)02004403大跨径悬索桥隧道锚设计及结构性能评价朱玉,廖朝华,彭元诚,杨耀铨(1.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074;2.中交第二公路勘察设计研究院,湖北武汉430052)摘要:四渡河桥是巴东山区一座主跨为900m的单跨悬索桥,其宜昌岸隧道锚具有桥隧相连的特点.介绍该桥隧道锚设计概况.采用实测综合确定的岩体参数,用三维弹塑性有限元法对包括下部公路隧道施工,隧道锚开挖,浇筑,预应力施加,挂缆等全部工序进行了模拟,通过数值超载分析其结构性能.关键词:隧道锚;预应力混凝土结构;
2、有限元法;弹塑性分析中图分类号:U443.24;TU311.41文献标识码:ADesignandStructuralCapacityAssessmentofTunnel?-TypeAnchorageforLong-SpanSuspensionBridgeZHUYu.-.LIAOChao-hua,PENGYuancheng,YANGYao-quan(1.InstituteofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.The2ndHighwaySurvey,De
3、signandResearchInstituteofChinaCommunications,Wuhan430052,China)Abstract:LocatedinthemountainousregioninBadong,theSiduheRiverBridgeisasinglespansuspensionbridgewithamainspanlength900mandwithitstunneltypeanchorageonYichangsidefeaturingajunctureofbridgeandtunnelalignment.Inthispaper,thedesignoftheanch
4、orageiSdescribed.Basedontherockmassparametersdeterminedfromfieldtestsandmeasurements,thecompletesequencesofconstructionofhighwaytunnelpartunderthebridge,excavation,concretingandprestressingoftheanchorage,andinstallationofthebridgemaincablesaresimulated.usingthreedimensionalelastoplasticfiniteelement
5、method,andfurther,thestructuralcapacityoftheanchorageareanalyzedandassessedbynumericaloverloadingmethod.Keywords:tunneltypeanchorage;prestressedconcretestructure;finiteelementmethod;elastoplasticanalysis1引言悬索桥的梁高并不随跨径的增加而加高,相比其他类型桥梁其跨越能力最强.从跨径为888m的虎门大桥到跨径为1385m的江阴长江大桥,加劲梁高均为3.0m.在跨越1000m的桥梁中,除个别的外,
6、如苏通长江大桥,基本都采用悬索桥.随着我国基础建设的蓬勃发展,1995年以来,有1O座悬索桥建成,4座在建,超过历史任何时隧道式锚碇把围岩作为锚碇的一部分,共同承受大缆的拉力,具有突出的造价优势.如美国的华盛顿桥,其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝收稿日期:20041Ol1作者简介:朱玉(1971一),男,工程师,1帅j年毕业于兰州铁道学院土木系桥梁工程专业,工学学士,1998年毕业于兰州铁道学院结构力学专业.工学硕士,现为华中科技大学土木工程与力学学院博士生.大跨径悬索桥隧道锚设计及结构性能评价朱玉,廖朝华,彭元诚,杨耀铨45土用量比为1:4.8,我国的四渡河桥,隧道锚与重力锚土石方开挖量之
7、比为1:5.四渡河桥是沪蓉国道主干线湖北榔坪高坪段控制工程,该段桥隧比高达80.8,路线设计标准为双向4车道,设计车速80km/h,荷载标准为汽一超20,挂一120.四渡河桥所处峡谷壁陡谷深,宜昌岸桥塔与八字岭隧道出口相距40m,宜昌岸的隧道锚碇置于八字岭隧道上方(图1).j塑旦塑I11400I90o00.20800.,l.mm.m几!1_I导道.单位:cm图1桥型布置根据锚碇的功能,隧道锚的设计要满足两方面的要求:缆力作用下,锚体本身要有足够的强度和刚度;锚体周围的岩体要有足够强度和稳定性承受锚体传来的缆力.对隧道锚而言更依赖于后者.2四渡河桥隧道锚构造综合考虑锚体和围岩受力及与下部八字岭隧
8、道的相互影响范围,选定锚体长度40m,锚碇底部与隧道顶部距离23m(图2).图2宜昌岸隧道锚,隧道,桥塔相对位置2.1锚体构造2.1.1锚体锚体纵断面为前小后大的楔形,在轴向拉力作用下,可对围岩体产生正压力;横断面顶部采用圆弧形,侧壁和底部采用直线,前锚面尺寸为9.5m10m,顶部圆弧半径5.25m,后锚面尺寸为14m14m,顶部圆弧半径7m.锚体周向每4m设置深2m的外突棱条,其作用类似于螺纹钢筋的螺纹.2.1.2鞍室鞍室采用等截面,从散索鞍到前锚面设计为20m.鞍室衬砌厚度合计55cm,初期支护采用长3m间距1m梅花型布置的水泥砂浆锚杆和15cm厚的挂网喷射混凝土;二次衬砌采用现浇钢筋混凝
9、土结构,厚40cm.考虑锚体两侧地形的不同,两鞍室和明洞采用不同的长度和截面,以减少对山体的破坏.2.1.3后锚室施工洞后锚室施工洞宽2m,高2.5m,从锚体底部与下部八字岭隧道相通,洞的人口设在下部隧道外侧壁.2.2锚固系统受山区交通不便的限制,锚碇的锚固系统的选择首先应以运输方便为原则,尽量避免采用大型构件;其次由于山区施工条件相对较差,要求锚固体系要简单可靠.本桥大缆锚固系统采用无粘结预应力钢绞线和联结器组成的锚固体系,注油脂防腐.2.3防,排水系统山区锚碇区的防,排水与平原区不同,山区主要针对大气降雨及其对岩溶水的补给,采用截,排结合的方式:在锚碇上部山体设置截水沟,减少大气降雨在锚碇
10、区的汇集;对汇集于锚碇区的雨水的下渗,在初衬前,首先对毛洞周围10m范围内大的裂隙和溶洞压浆封闭;在鞍室段的初衬和二衬之间设置土工布和防水层,在渗漏水较集中处铺设弹簧排水管,集水导人锚碇底部的汇水管经由后锚室施工洞流人八字岭隧道的排水系统.锚体本身采用防渗混凝土进行收缩补偿.3结构性能评价对四渡河桥隧道锚的结构性评价采用数值超载法.计算软件采用通用程序ABAQus.3.1岩体概化模型和计算模型岩体概化模型和计算参数是力学分析的基础.综46桥梁建设2005年第2期合确定锚址区岩体概化模型为:O25m段为强风化风化岩体.锚址区岩体力学参数见表l,c为粘聚力,单弱卸荷带;2550m为弱风化带;5Om
11、以上深度为微位:GPa,f为内摩擦系数,R为岩体抗拉强度.表1锚址区岩体力学参数取值不同的文献对岩土问题所采取的计算范围相差较大.考虑隧道锚与下部八字岭隧道的相互作用,结合地形,地质情况,计算范围取为顺桥向长324.2m,横桥向宽240m,高约299m,约为7倍的洞室尺寸.岩体按弹塑性体考虑.对于岩土类材料,摩尔一库仑准则是建立在实验基础上,并被认为是比较合理的.本分析岩体材料采用扩展的摩尔一库仑准则.初始应力场按自重场计.荷载作用有3种:锚体及衬砌结构的自重,预应力.每个锚体的73束预应力钢筋,其预加力按锚固面大小换算为面荷载.面荷载作用面积为38.88m,有效预加应力0.6R=1116MP
12、a,换算面荷载9695kPa.设计缆力2.21OkN/缆.换算面荷载为5658kPa.3.2施工模拟及单元离散结合微机硬件配置,经过试算,确定采用29个施工步模拟各个施工过程.各个施工步骤如下:建立初始应力场(施工步12),开挖八字岭隧道,衬砌施作(施工步39),锚室开挖,衬砌施作(施工步1O15),锚体开挖(施工步1621),锚体回填(施工步22),施加预应力(施工步23),施加运营缆力(施工步24),3倍缆力数值超载试验(施工步25),5倍缆力(施工步26),7倍缆力(施工步27),9倍缆力(施工步28),10倍缆力(施工步29).岩体和锚体采用六面体单元,喷射混凝土和二次衬砌采用四边形壳
13、单元(图3).共划分了16844个六面体单元,944个四边形壳单元,节点21198个.边界条件:侧向约束各面的法向位移,底面三向位移均约束,顶面自由.3.3结果分析3.3.1围岩塑性区分布计算结果表明,设计缆力作用下,仅在锚体后锚室的围岩出现塑性区.7倍缆力作用下,锚体围的(a)岩体六面体单元(b)村砌壳单兀图3宜昌岸隧道锚计算模型岩大部分进入塑性状态,向前约有7O的岩体进人塑性,横向左右两侧锚体间岩体塑性区贯通图4(a).9倍缆力作用下,锚体围岩向前锚体长度范围内岩体全部进入塑性,横向两锚体间岩体塑性区向四周发展图4(b).从塑性区的分布看,锚碇的承载力为57倍的设计缆力,可以认为7倍缆力时
14、锚碇已经破坏.各缆力作用时,隧道围岩体未见塑性区出现.(a)7倍缆力(b)9倍缆力图4岩体塑性区分布(横截面)3.3.2围岩体位移变化锚体底部围岩在施加大缆拉力顺桥向(U1)和横桥向(U2)基本无位移发生,竖向位移(U3)在下部隧道的开挖初期下沉,后保持稳定;锚室开挖阶段竖向位移稳定,锚体区围岩开挖时锚体底部围岩竖向位移向上回弹,在锚体混凝土回填时略有下降;超载阶段,锚体顶部围岩竖向位移向上迅速增大,变化量为9.9mm.隧道开挖对锚体围岩位移影响12ram(图5).隧道顶部围岩竖向位移(U3)由于隧道的开挖(下转第73页)东海大桥70m预应力混凝土箱梁施工技术创新周贵平73水平顶分别负责箱梁和
15、4-Y方向的移动,滑动副主要由四氟板及砂顶底下的不锈钢衬板组成,为减少箱梁架设时临时支座对箱梁的冲击震动,在砂顶顶部设有橡胶减震板,同时利用橡胶板的压缩量对4个临时支座顶面标高进行调整,避免了梁体受扭产生次内力甚至引起梁体的开裂.4.2箱梁的架设4.2.1初步对位落梁箱梁采用运架一体化的2500t小天鹅号吊船进行箱梁的运输,吊装,省去了大型铁驳和拖轮,减少了吊装作业次数,最大限度地发挥了设备的利用率,且该船舶机动性强,可以应对海上恶劣的作业环境,避免了因船舶走锚引起的撞墩事故.小天鹅大型起重船通过抛锚,绞锚初步对位落梁.4.2.2箱梁精确调位由于水平油缸行程所限以及I临时支座在墩顶的有效活动范
16、围有限,其位置调整的位移量是有限的.因此,箱梁初始定位的平面坐标偏差必须满足:中墩纵,横向均小于150mm;边墩纵向小于150mm,横向小于75mm.在每孑L箱梁初步对位并下落于临时支座后,由滑移装置精确调整梁的平面位置.箱梁初步定位后,检查箱梁的平面位置,根据箱梁的偏位方向,开动相应的水平千斤顶,滑动副在水平千斤顶的作用下与箱梁一起移动,直至箱梁位置满足设计和规范要求.水平千斤顶采用美国实用动力(上海)公司生产的RC506型千斤顶,P80型手动泵站,该千斤顶小巧轻便,操作简单,适用于在梁底等狭小空间作业.用液压千斤顶及四氟板对箱梁进行二次定位,定位精确,调整后的箱梁轴线偏差均小于1cm,而且
17、安全,效率高,避免了在墩顶安装庞大的导向装置,也避免了该导向装置在海上架梁时对桥墩的破坏.5结语东海大桥70m箱梁的预制及架设大量运用了新技术,新工艺,取得了良好的效果,箱梁预制内实外美,成品架设安全高效,为大型箱梁的预制场预制,运输及安装提供了可以借鉴的施工经验.,(上接第46页)10.0o8.006.00彗4.002.00H合成位移N:1465?顺桥向位移N:1465H横桥向位移N:1465H竖向位移N:14651.00碇具有足够的稳定性.值得指出,隧道锚的安全系数是在未计人施工爆破振动荷载的作用情况下得出的.此外,由于隧道锚应用较少,其安全系数的合理取值也值得进一步研究.05101520
18、2530施工步参考文献:图5锚体底部节点位移随施工步变化曲线向下沉降,锚室和锚体开挖阶段其竖向位移略有向上增加,锚体混凝土回填时略有下降,超载阶段向上迅速增大,从一2.3mm恢复到原位,见图6.32,曼L簿一1.一2?一3.:=二二=一T互墓N岛疆嚣;2/一,._._._._.r_一.一051015202530施工步图6隧道顶部节点位移随施工步变化曲线4结语四渡河桥是在山区大跨径悬索桥上采用隧道锚的首次尝试.综合该锚碇塑性区的发展,围岩位移的变化及锚,隧道相互影响可见,设计缆力作用下锚1徐君兰,向中富.关于悬索桥的重力刚度J.重庆交通学院,2000,19(2):7174.2张喜刚,袁洪,吴国庆
19、.苏通长江大桥总体设计/-A.2004年全国桥梁学术会议论文集c.北京:人民交通出版社,2004.3金增洪.2O世纪悬索桥的历史和美学I-A.2004年全国桥梁学术会议论文集c.北京:人民交通出版社,2004.4刘建新,胡兆同.大跨度吊桥M.北京:人民交通出版社,1996.5中交第二公路勘察设计研究院,长江水利委员会长江科学院.沪蓉国道主干线宜昌至恩施段四渡河特大桥隧道锚碇岩体力学性质试验研究R.武汉;2003.6吕爱钟,蒋斌松,尤春安.位移反分析有限元网格划分范围的研究J.土木工程,1999,32(1);2630.7AlfredsRJumikis.RockMechanicsM.Houston:GulfPublishingCompany,1983.