飞龙湖乌江悬索桥锚碇设计分析

张扬 宋随弟 李晓秋 吉孔东

[摘  要]：文章以贵州省遵义至余庆高速公路段飞龙湖乌江680 m悬索桥为背景依托，详细介绍了该桥的锚碇设计过程。先对锚碇进行抗滑移、抗倾覆等整体稳定计算，再采用有限元分析软件Midas FEA对余庆岸、遵义岸锚碇进行实体仿真模拟，特别注意的是前支墩与锚体前锚面倒角、后锚面与侧壁倒角在邻近张拉钢束的挤压变形下产生拉应力，需进行抗拉配筋设计。

[关键词]：悬索桥; 锚碇; Midas FEA; 应力配筋法

U443.24A

1 工程概况

飞龙湖乌江大桥余庆岸位于余庆县境内花山乡，遵义岸位于湄潭县石连镇。该桥主跨为680 m单跨钢桁梁悬索桥，设计标准路幅宽度为24.5 m，主缆计算跨度为（201+680+178） m，中心间距为27.0 m，垂跨比为1/10，加劲梁为板桁结合钢桁梁，门形框架式索塔，钻孔群桩基础。两岸锚碇均采用重力式锚碇，其中引桥3号、4号、15号桥墩立于锚碇上。飞龙湖乌江悬索桥桥型布置如图1所示。

2 锚碇结构类型

悬索桥锚碇根据结构受力方式一般分为3类：重力式锚碇、隧道式锚碇和岩锚锚碇。

重力式锚碇指的是主要依靠锚碇结构自身强大重力来平衡主缆拉力的锚碇结构，锚碇主缆在锚碇内通过主缆索股锚头与锚拉杆相连，再由锚拉杆连接预埋于锚体内的钢结构锚杆或预应力钢束来达到主缆拉力分散锚固于锚体的目的。

隧道式锚碇的隧洞具有洞体倾斜、前小后大的特点。悬索桥主缆通过隧道围岩对混凝土锚体形成嵌固作用，将主缆拉力传递给围岩，从而达到锚碇对主缆的锚固作用。此类锚碇优势是混凝土用量少、造价低且对锚体周边环境的扰动很小，前提是对锚碇处地形、地质的要求极高。

岩锚锚碇是由外部混凝土锚墩和植入岩体的预应力锚索群组成，通过群锚带动围岩体承载，锚碇中的预应力群锚首先施加预应力于围岩锚固，然后再承担来自结构的拉拔荷载，受力状况较为复杂。

3 锚碇构造设计

重力式锚碇主要由散索鞍支墩、支墩基础、锚体、前后锚室等几部分组成。其中散索鞍支墩主要承受由散索鞍传递的主缆径向压力，锚块主要承受预应力锚固系统传递的主缆拉力，前锚室、散索鞍支墩、锚块、散索鞍支墩基础之间形成了一个完整的空间受力结构，前锚室作为一个封闭空间，对主缆索股起保护作用。余庆岸、遵义岸侧锚碇构造如图2、图3所示。

3.1 主要材料

混凝土：锚体、散索鞍支墩采用C40混凝土，基础采用C30混凝土，前锚室采用C30聚丙烯纤维混凝土。

预应力：锚固系统钢绞线采用低松驰预应力钢绞线，抗拉强度标准值为1 860 MPa，公称直径为15.2 mm。锚固系统预应力锚具采用特制的优质锚具。

拉杆：锚固系统拉杆采用40crNiMoA钢，螺母、垫圈采用40Cr钢，连接器采用45号优质碳素结构钢，锚固系统预埋管道采用无缝钢管，冷却管采用直缝电焊钢管。

3.2 余庆岸锚碇结构形式

余庆岸锚碇总平面尺寸长宽为61.32 m×43 m，总高度为44.06 m，为增加锚碇的抗滑能力，底面设置了2级平台。前锚室为变截面实腹形式，支墩采用变截面实心墩。锚块、散索鞍支墩及基础施工需采用分层浇筑方法，并在每层混凝土中设置冷却水管。

3.3 遵义岸锚碇结构形式

遵义岸锚碇总平面尺寸为52.67 m×43 m，总高度为44.32 m。前锚室为变截面实腹形式，侧墙壁厚为0.8 m，顶板壁厚为0.8 m。支墩采用等截面实心墩。

4 锚碇分析计算

4.1 整体计算

在计算该桥锚碇整体抗滑移时，偏安全不考虑锚体前侧基岩的抵抗作用∑HiP（不考虑余庆岸4.39 m、遵义岸25.82 m高范围内岩石的水平抵抗作用）。分别计算出锚碇各部分（包括立于锚碇上的桥墩）的竖向力Pi乘以锚碇基底摩擦系数μ值与标准组合下主缆的最大水平分力∑Hia相比，可得锚碇整体抗滑移稳定性系数kc=μ∑Pi/∑Hia。

锚碇整体抗倾覆系数k0为锚碇重心距离倾覆轴距离S和所有外力的合力R对基底重心轴的偏心距e0的比值，其中倾覆弯矩包括锚碇各部分重力、引桥支墩反力、主缆缆索力对锚碇重心轴的作用，可得锚碇整体抗倾覆稳定系数值k0=S/e0，其中e0=（∑Piei+∑Hihi）/∑Pi。

其中余庆岸3号、4号引桥桥墩立于锚碇上，遵义岸15号引桥桥墩立于锚碇上，对相应岸侧锚碇抗滑移、抗倾覆均起到有利作用。

另外根据JTG/T D65-05-2015《公路悬索桥设计规范》锚碇整体计算内容还包括主索索股的稳定性计算、运营阶段锚碇允许位移计算、锚固系统索体计算、锚固系统拉杆强度计算等内容。

飞龙湖乌江大桥锚碇整体计算主要结果见表1。

4.2 有限元分析

4.2.1 有限元模型

为准确计算锚碇在施工阶段和成桥阶段的应力分布情况，本文采用大型有限元分析软件Midas FEA 3.7分别对余庆岸、遵义岸锚碇进行仿真分析。由于同里程侧锚碇结构对应2根主缆左右两半对称，本模型仅建立左半部分，在对称面施加对称约束，平直基底固结处理，而后竖斜锚碇面则采用只受压弹簧边界进行模拟。余庆岸、遵义岸锚碇有限元模型如图4、图5所示。

4.2.2 計算工况

为全面分析锚碇的应力分布情况，需对初张拉锚体内预应力和施加标准组合最大缆索力2种工况分别进行包络计算，初张拉预应力和缆索力均以面荷载形式加载在有限元模型上，其中预应力荷载沿着前后锚面对应缆索编号方向加载，张拉控制应力为0.65fpk=1209 MPa。本文仅以余庆岸锚碇实体分析为例来介绍锚碇在2种工况下的应力分布情况，计算工况如下所示：

工况一：自重+锚体内初张拉预应力。

工况二：自重+锚体内有效预应力+标准组合最大缆索力（包括前锚面和支墩处索力）+引桥墩底作用力。

4.2.3 余庆岸锚碇计算结果

4.2.3.1 工况一

工况一在刚施加预应力时，前后锚面处存在较大的压缩变形和局部压应力，余庆岸锚碇主要计算结果如图6～图8所示。图中应力值拉为正，压为负。

由图6～图8可知，初张拉锚体预应力时，在强大的预应力压应力作用下：

（1）锚碇整体主拉应力较小，应力极值点为2.36 MPa，超过1 MPa的单元占比比例仅为0.3%，分布在前支墩与锚体前锚面倒角、后锚面与侧壁倒角区域，主要由于在初张拉钢束时的压缩变形导致邻近单元产生拉应力。整个锚碇主拉应力存在超过C40抗拉强度设计值1.65 MPa区域，需进行抗拉配筋设计，未出现超过C40抗拉强度标准值ftk=2.4 MPa的区域，主拉应力满足规范要求。

（2）锚碇最大主压应力极值点为-12.46 MPa，分布在前锚面预应力张拉位置，为应力集中区域，小于0.6倍C40抗压强度标准值（0.6ftk=16.1 MPa），应通过局部承压计算配置足够的承压钢筋网来分散该区域的压应力，主压应力满足规范要求。

4.2.3.2 工况二

工况二在标准组合最大索力作用下，余庆岸锚碇主要计算结果如图9～图11所示。图中应力值拉为正，压为负。

由图9～图11可知，在标准组合最大缆索力作用下：

（1）锚碇整体主拉应力较小，应力极值点为2.2 MPa，超过1 MPa的单元占比比例仅为0.3%，分布在前支墩散索鞍周边、前支墩与前锚面倒角、后锚面与侧壁倒角处区域，主要由于在缆索力、预应力的压缩变形导致邻近单元区域产生拉应力引起。整个锚碇主拉应力存在超过C40抗拉强度设计值1.65 MPa区域，需进行抗拉配筋设计，未出现超过C40抗拉强度标准值ftk=2.4 MPa的区域，主拉应力满足规范要求。

（2）缆索力与锚体内钢束的预压应力叠加后，前锚面主压应力减小，最大主压应力出现在前支墩散索鞍处。锚碇最大主压应力极值点为-11.79 MPa，为应力集中区域，小于0.6倍C40抗压强度标准值（0.6fck=16.1 MPa），应通过局部承压计算配置足够的承压钢筋网来分散该区域的压应力，主压应力满足规范要求。

5 应力配筋法配筋设计

5.1 应力配筋法计算原则

对于非杆件体系的钢筋混凝土结构，SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》（以下简称“水工规范”）给出了按应力图形配筋的方法，按照主拉应力在配筋方向投影图形的总面积计算得到的钢筋总面积As应满足（1）式要求：

As≥KTfy（1）

式中：K为承载力安全系数，对应桥涵结构重要性系数，本文取1.1;fy为钢筋抗拉强度设计值，本文取HRB400钢筋fsd=330 MPa;T为由钢筋承担的拉力设计值，T=ωb;ω为截面主拉应力在配筋方向投影面积的总面积扣除其中拉应力值小于0.45 ft后的图形面积，但扣除面积不宜超过总面积的30%，其中ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，本文取C40混凝土ft=1.65 MPa;b为结构截面宽度，本文取余庆岸支墩倒角处宽度11 m。

并根据JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相关规定进行裂缝计算。

5.2 锚碇配筋计算

现以工况一作用下余庆岸锚碇主拉应力较大的前锚面与前支墩处倒角处为例来进行配筋设计说明，该处主拉应力同顺桥向，提取支墩中心处沿着高度方向每间隔0.25 m的主拉应力剖面如图12所示。对于C40混凝土，取0.45ft=0.45×1.65=0.7425 MPa，绘制该处主拉应力值与沿高度方向的单元尺寸关系如图13所示。

根据应力图按照分层总和法计算得到图形阴影面积为1.211 （N·m）/mm2，则有T=ωb=1.211×106×11=13.321×106N，代入式（1）有：As≥KT/fy=1.1×13.321×106/330=44403 mm2。初步计算需配置HRB400级d=25 mm钢筋91根，根据支墩外形尺寸，预配置2排间距15 cm的d=25 mm钢筋（146根）。

从Midas FEA中积分出最大应力向下0.832 m支墩横断面范围内顺桥向轴拉内力N=9600 kN，计算得钢筋应力有：σss=N/（n×Ass）=9600×1000/（146×490.90）=134.0 MPa。带入规范相关裂缝计算公式有：

Wfk=C1C2C3σssEs（30+d0.28+10ρ）

=1.0×1.5×1.1×134.0200000（30+250.28+10×0.006）

=0.179mm<0.2mm

满足规范要求。

6 结束语

通过对飞龙湖乌江悬索桥余庆岸、遵义岸重力式锚碇进行详细的整体和有限元实体仿真分析，得到的主要结论如下所示。

（1）两岸锚碇抗滑移、抗倾覆、锚碇允许位移、锚固系统索体抗拉、主缆索股锚杯抗剪等整体验算均满足规范要求。

（2）有限元分析结果表明，前支墩与前锚面倒角、后锚面与侧壁倒角、前支墩散索鞍周边这几处在缆索力和预应力的压缩变形下会产生较大的拉应力，可参考“水工规范”的应力配筋法对该处进行配筋设计和合理的施工顺序来减小此处拉应力。该桥通过配置较大直径的普通钢筋和先施工锚体和支墩基础待张拉钢束完成后再施工前支墩的施工顺序来达到减小锚碇局部拉应力的效果。

参考文献

[1] 余军思，吴骏，李红霞. 抵母河大跨悬索桥锚碇设计分析[J]. 中外公路，2017，37（5）：141-144.

[2] 刘秀敏，陈从新，肖国峰，等. 西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究[J]. 岩土力学，2013，34（1）：196-202.

[3] 郭松峰，祁生文，李正熔，等. 云南龙江特大悬索桥锚碇稳定性分析[J]. 工程地质学报，2011，19（6）：909-916.

[4] 李海，鲜亮，姚志安. 国内大跨径悬索桥锚碇锚固系統比较研究[J]. 公路工程，2011，36（6）：97-101.

[5] 苏静波，邵国建，刘宁. 悬索桥锚碇基础的稳定性分析[J]. 公路，2005（4）：61-65.

[6] 张茜茜，丁印成. 弹性应力配筋法在桥梁设计中的应用[J]. 公路，2014，59（7）：154-157

[7] 李连强，杨亮，陈明贵. 关于天津大道墩柱的受力特征及钢筋合理性布置的探讨[J]. 城市道桥与防洪，2010（8）：67-71+265.