大跨度悬索桥嵌桩式重力锚碇承载机理和稳定性分析.pdf
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1、文章编号:()收稿日期:基金项目:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司重大科技项目()作者简介:武守信()男山西阳泉人副教授博士主要研究方向为桥梁工程:.引文格式:武守信李小刚冯君.大跨度悬索桥嵌桩式重力锚碇承载机理和稳定性分析.铁道建筑技术():.大跨度悬索桥嵌桩式重力锚碇承载机理和稳定性分析武守信 李小刚 冯 君(.西南交通大学土木工程学院 四川成都 .中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州)摘 要:悬索桥重力式锚碇具有传力机理简单及对地质条件适应性强的优点但其缺点是体积庞大、造价昂贵、对环境扰动大 近年来一种旨在显著减小重力锚体积的新型嵌桩式重力锚结构引起工程界的关注但对于此
2、类锚碇基底摩阻力和嵌固桩所分担的抗滑力随主缆荷载的变化规律以及这种锚碇的失稳破坏机理尚不清楚 本文采用非线性弹塑性有限元方法、屈服准则以及非线性接触 摩擦单元分析了位于中风化石英砂岩地基上大直径嵌桩式重力锚的承载机理和稳定性研究表明:嵌固桩承担总抗滑力的 而锚碇摩阻力承担抗滑力的 嵌桩式重力锚的抗滑稳定性系数可以达到.嵌桩式重力锚的失稳主要由锚碇后部嵌固桩周围基岩局部破坏而引起与齿坎式重力锚相比嵌桩式重力锚可以减小锚碇自重达 以上具有较好的工程应用前景关键词:悬索桥 重力锚 嵌岩桩 稳定性 承载机理中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言重力式锚碇是悬索桥建设中广泛采用的一种锚碇型式
3、它的优点是传力机理简单对地质条件适应性强且施工方便但其缺点是体积庞大、造价昂贵、对环境扰动大 据统计和研究陆地上重力式锚碇的造价大约占悬索桥造价的 左右位于水中的重力式锚碇造价更高 由于重力锚主要依靠自重产生的基底铁道建筑技术 ()武守信 等:大跨度悬索桥嵌桩式重力锚碇承载机理和稳定性分析摩阻力抵抗主缆拉力水平分量因此悬索桥跨度越大重力锚自重也越大 这就造成了如下问题:()在地质不良区域地基承载力无法满足巨大的锚碇自重对地基应力的要求单纯依靠摩擦力无法维持重力锚抗滑稳定性()位于高烈度地震区的重力锚其基底摩阻力无法抵抗强烈地震作用下锚碇的水平滑移()在一些生态敏感地区巨大的重力锚体积对景观和生
4、态构成严重干扰 随着悬索桥跨度的不断增加重力式锚碇大体积问题日益突出如何减小重力锚体积提高锚碇稳定性降低锚碇造价减少锚碇对生态环境的扰动就成为大跨度悬索桥发展中亟待研究的课题近年来一种新型的嵌桩式重力锚逐渐引起工程界的重视 这种重力式锚碇是在锚碇基础底面设置大直径钢筋混凝土桩(称为嵌固桩)并嵌入基岩通过大直径嵌固桩的水平承载作用增加锚碇抗滑力从而显著减小锚碇体积 年建成的湖北印水桥南岸重力式锚碇底部设置了直径.嵌入基岩的大直径基桩 年建成的安徽秋浦河长江大桥北锚碇基础采用了直径为 的根式基桩 在杭州青山湖大桥建设中对这种嵌桩式重力锚进行了研究 这种锚碇的主要优点是直接利用大直径钢筋混凝土桩在基
5、岩中的嵌固作用和锚碇基底摩阻的联合作用抵抗主缆水平分力使锚碇的整体抗滑稳定性达到设计要求 在近代悬索桥建设历史上采用群桩基础修建的悬索桥重力式锚碇很少个别采用桩基础的重力式锚碇都采用了斜桩以抵抗侧向荷载这是因为早期的基桩直径都在.左右其侧向承载力较弱 从 世纪 年代开始管柱和大直径钻孔桩在近海以及海洋工程的广泛应用表明大直径垂直嵌岩桩具有优良的侧向承载能力 刘效尧、唐正风等的研究还表明大直径桩基础的侧向位移是可以控制在容许范围内的 然而目前对岩石地基上大直径嵌桩式重力锚碇的承载机理缺乏系统的研究对于嵌固桩抗滑力以及锚碇基底摩阻力之间的耦合关系尚不清楚本文以一座在建的大跨度悬索桥重力式锚碇为背景
6、采用弹塑性非线性有限元方法分析大直径嵌桩式重力锚嵌固桩的抗滑作用及其与锚碇基底摩擦力之间的耦合效应分析这种锚碇的破坏机理和稳定性为此类重力锚的优化设计提供理论依据 嵌桩式重力锚结构形式该桥是一座主跨为 的双塔单跨特大型跨湖悬索桥主跨为 位于生态敏感地区 该桥北岸采用隧道锚南岸采用重力锚 重力锚建基面位于中风化石英砂岩层 该地区四面环山生态环境良好湖区为水源保护地 为了保护该地区的生态和景观要求重力锚的体积不能太大 为此在设计阶段提出了嵌桩式重力锚的设计方案以减小锚碇体积并和传统的齿坎式重力锚进行体积和抗滑稳定性方面的比较 图 是嵌桩式重力锚设计方案 为了使锚碇基底嵌固桩发挥尽可能大的水平嵌固作
7、用嵌固桩采用直径为 的圆型钢筋混凝土桩 锚碇后部嵌固桩采用扩底桩以保证重力锚的抗倾覆稳定性图 嵌桩式重力锚碇整个锚碇采用 根嵌固桩横桥向布置成 列每列 根 桩与桩之间的净距离为横桥向.纵桥向 以满足公路和铁路桥涵地基和基础设计规范的构造要求桩长分别采用 、以便通过比较分析确定最经济的桩长 嵌固桩单桩水平承载力分析.基岩材料特性锚碇所处地基为中风化石英砂岩岩体粘聚力 .内摩擦角 由 屈服准则的受压子午线可知岩体的抗压强度为:.()等在研究软岩地基中水平承载桩的 曲线法时提出了计算软岩地基水平极限承载力的如下公式:().()式中:为桩侧岩石的水平极限反力(/)为岩石的单轴抗压强度()为桩径()为桩
8、深()为岩石强度的折减系数与(岩石质量指标)有关按公式 (/)计算.单桩水平极限承载力根据、等人的假设嵌固桩的水平极限承载力是沿桩深岩石水平反力达到其极限值 时桩所能承受的最大水平荷载(见图)由铁道建筑技术 ()武守信 等:大跨度悬索桥嵌桩式重力锚碇承载机理和稳定性分析于嵌固桩一般短而粗因此可以视为刚性桩桩顶被锚碇承台所约束而作水平变位因此桩顶极限剪力和弯矩可由下式计算:()()()()由上两式计算得出桩长为、的嵌固桩单桩极限剪力和弯矩如表 所示图 桩身极限水平反力分布表 单桩极限承载力/./().嵌桩式重力锚承载力有限元分析.材料特性和有限元模型锚碇混凝土强度等级为 弹性模量.泊松比.自重
9、/中风化石英砂岩的材料参数如前所述泊松比取为.锚碇和中风化石英砂岩的摩擦系数取为 .由于在主缆荷载下锚碇的稳定性主要由基岩的行为以及基岩和混凝土的接触面行为所控制锚碇混凝土本身变形很小因此可以假定锚碇混凝土力学行为是线弹性的不考虑其屈服破坏 而基岩的屈服条件为 屈服准则 其数学表达式为:()()()()式中:是应力张量第一不变量是应力偏张量第二不变量混凝土和基岩接触 摩擦本构行为采用库伦线性接触 摩擦模型其数学表达式为:tt ()式中:t为极限剪应力()为法向接触压应力()为接触面粘聚力()锚碇混凝土和基岩采用实体单元模拟 该单元为六面体单元每个单元有 个结点每个单元有 个自由度 接触 摩擦行
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