隧道式錨碇動(dòng)張拉荷載響應(yīng)分析

李 明,袁曉偉,陳 奇,胡 君

(重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,重慶 400074 )

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隧道式錨碇動(dòng)張拉荷載響應(yīng)分析

李 明,袁曉偉,陳 奇,胡 君

(重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,重慶 400074 )

運(yùn)用ANSYS有限元軟件，以普立特大橋隧道式錨碇為原型進(jìn)行三維仿真分析。仿真計(jì)算了隧道式錨碇在主纜非動(dòng)力設(shè)計(jì)張拉荷載下的穩(wěn)定性；地震時(shí)，從錨塞體對(duì)主纜動(dòng)張拉力荷載的響應(yīng)方面考慮，以錨塞體底面4個(gè)角點(diǎn)及錨塞體前后錨面2個(gè)頂點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析了計(jì)算所得的應(yīng)力及應(yīng)力幅值。結(jié)果表明：錨塞體前錨面質(zhì)點(diǎn)的響應(yīng)比錨塞體后錨面質(zhì)點(diǎn)響應(yīng)更加強(qiáng)烈。

橋梁工程；隧道式錨碇；動(dòng)張拉；時(shí)程曲線

由于具有開(kāi)挖量低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，隧道式錨碇在懸索橋錨碇工程中應(yīng)用日益廣泛[1-7]?，F(xiàn)階段對(duì)隧道錨結(jié)構(gòu)及邊坡巖體進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)大多通過(guò)靜力分析來(lái)探索錨碇的結(jié)構(gòu)受力和狀態(tài)，對(duì)于處于地震狀態(tài)和車橋或者車橋風(fēng)綜合作用下的動(dòng)力特性而言，研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)隧道式錨碇作仿真分析。將對(duì)隧道式錨碇系統(tǒng)在受到地震作用引起的主纜動(dòng)張拉響應(yīng)進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析敏感部位錨碇的變形以及洞口邊坡的穩(wěn)定，以期獲得可能的破壞模式。

在地震時(shí)懸索橋橋墩、橋梁及纜索等結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生大位移、大變形，主纜荷載在地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)張拉荷載，通過(guò)鋼纜傳遞給錨塞體，使得錨塞體與圍巖一起響應(yīng)，此工況是在常規(guī)靜力荷載基礎(chǔ)上再輸入主纜的附加動(dòng)張拉荷載，計(jì)算結(jié)果為錨碇對(duì)常規(guī)靜力荷載響應(yīng)與地震時(shí)主纜附加動(dòng)張拉荷載響應(yīng)的疊加。

1 工程背景

普立特大橋位于普宣高速公路第4合同段處，跨越普立大溝，為國(guó)道橫12普立(黔滇界)至宣威高速公路工程，是普宣高速公路控制性工程。普立特大橋采用了隧道式錨碇，隧道錨區(qū)位于走向南西山脊，順山脊北西側(cè)發(fā)育一沖溝，沖溝切深約80 m，錨碇區(qū)地面高程1 805～1 835 m，地形坡度30～35°，其左側(cè)錨碇基本順一走向南西的小沖溝展布，沖溝寬約10 m、切割深度約5 m。

該大橋地處地震發(fā)育帶，經(jīng)常發(fā)生5.0級(jí)以上的地震，嚴(yán)重威脅著該大橋的運(yùn)營(yíng)安全。橋址區(qū)隧道式錨碇地質(zhì)巖體主要以灰?guī)r和白云巖為主，巖土物理性質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

錨塞體混凝土與洞壁巖體黏結(jié)強(qiáng)度一般由試驗(yàn)確定，黏結(jié)強(qiáng)度τq=1.0 MPa。

根據(jù)普立特大橋隧道式錨碇主要工程材料，錨塞體采用C30混凝土，栓塞體和預(yù)應(yīng)力鋼束的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 錨塞體及預(yù)應(yīng)力鋼束參數(shù)

2 考慮設(shè)計(jì)荷載的主纜張拉

2.1 模型建立

把錨塞體看作理想彈性材料，采用3D等參實(shí)體單元So1id65單元模擬混凝土錨塞體，共有Solid65單元2 674個(gè)，為掃略方式生成六面體單元，節(jié)點(diǎn)3 000個(gè)。把巖體看作理想彈塑性材料，單元采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的空間等參實(shí)體單元，共有Solid45單元14 530個(gè)，為掃略方式生成六面體單元，節(jié)點(diǎn)8 123個(gè)，預(yù)應(yīng)力筋采用Link單元，共有Link單元826個(gè)，節(jié)點(diǎn)885個(gè)。數(shù)值模型如圖1。

圖1 ANSYS數(shù)值模型Fig.1 ANSYS numerical model

錨區(qū)巖體的設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表1?；炷僚c圍巖摩擦系數(shù)均取0.65；圍巖材料的摩擦角φ=30°；內(nèi)聚力c=1.0 MPa。錨塞體及預(yù)應(yīng)力鋼束參數(shù)取值見(jiàn)表2，采用溫控法張拉預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力鋼束的溫度膨脹系數(shù)k=2.0×10-5。

錨塞體的外表面和圍巖表面之間將構(gòu)成面面接觸對(duì)。利用接觸單元能夠考慮錨塞體和圍巖之間接觸面的固定、滑動(dòng)和張開(kāi)這3種接觸狀態(tài)，能夠模擬圍巖的初始間隙和初始應(yīng)力的穿透，并能夠模擬初始狀態(tài)的兩物體間的摩擦滑動(dòng)、張開(kāi)、閉合。對(duì)于錨錠與圍巖相互接觸的區(qū)域采用atgret170和ocntact174接觸單元模擬接觸面[8]。

為了增加錨塞體混凝土的整體剛度及抗拉強(qiáng)度，在錨塞體內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼束，通過(guò)錨固系統(tǒng)將預(yù)應(yīng)力鋼束錨固其中，列與列預(yù)應(yīng)力鋼束位置相互錯(cuò)動(dòng)，預(yù)應(yīng)力鋼束間距1 m。ANSYS中預(yù)應(yīng)力筋采用Link180單元，共有Link180單元826個(gè)，節(jié)點(diǎn)885個(gè)，見(jiàn)圖2。

圖2 錨塞體前錨面預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖Fig.2 Anchor plane prestressed steel beam layout

預(yù)應(yīng)力鋼束彈性模量Ee=2.0×105MPa，泊松比μ2=0.3，采用溫控法張拉預(yù)應(yīng)力筋，鋼筋的溫度膨脹系數(shù)k=2.0×10-5。

2.2 主纜靜力張拉計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)，普立特大橋錨碇處主纜實(shí)際恒載纜力為80 842 kN，主纜纜索與水平面夾角為42°。錨塞體前錨面與散索鞍張拉多束鋼纜來(lái)傳遞主纜張拉力(圖3)。假設(shè)所有鋼束平均分擔(dān)主纜的張拉荷載，鋼束數(shù)為59束，則每根鋼束拉力1 370.203 kN。模型中將每根鋼纜的設(shè)計(jì)荷載等效為錨塞體前錨面的節(jié)點(diǎn)力，通過(guò)節(jié)點(diǎn)力的施加，模擬主纜對(duì)錨塞體的張拉。

圖3 主纜張拉示意Fig.3 Main cable tension diagram

錨塞體在主纜張拉作用下有沿著主纜荷載方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，見(jiàn)圖4(a)。當(dāng)錨塞體受到主纜的張拉作用，錨塞體將荷載傳遞給周圍圍巖，從圖4(b)結(jié)果可以看出，錨塞體上部巖體及邊坡豎向拉應(yīng)力較大，后錨室后部巖體也出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。 而錨塞體下部由于巖體自重場(chǎng)的存在，呈現(xiàn)有梯度形狀的壓應(yīng)力區(qū)(隨著高程的減少，巖體內(nèi)豎向壓應(yīng)力逐漸增大)。

圖4 錨塞體與圍巖作用應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(對(duì)稱剖面)Fig.4 The calculation results of anchor plug and surrounding rock stress

通過(guò)ANSYS后處理器，提取錨塞體第一強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果〔圖5(a)〕。由于預(yù)應(yīng)力張拉的效果，在前后錨面中間區(qū)域出現(xiàn)圓面域壓應(yīng)力區(qū)；錨塞體拱頂受到圍巖的擠壓出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)，因此在工程錨塞體施工中，應(yīng)注意壓應(yīng)力區(qū)(前錨面到后錨面方向8～25 m)的鋼拱架采用加固工程措施。從圖5(b)可以看出，當(dāng)受到主纜張拉作用下錨塞體總位移量沿著錨塞體軸向?qū)訝罘植迹谇板^面位移量最大(50.455 m)，沿著軸向逐漸減小。施工中，在前錨面處應(yīng)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)布設(shè)、混凝土噴漿、錨桿的施作等，將錨塞體緊密鑲嵌于圍巖中，增加錨塞體與圍巖的整體性。

圖5 主纜張拉荷載下錨塞體計(jì)算結(jié)果Fig.5 The calculation results of main cable tensile load of anchor plug body

3 主纜附加動(dòng)張拉計(jì)算

〗在地震時(shí)懸索橋橋墩、橋梁及纜索等結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生大位移、大變形，主纜荷載在地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)張拉荷載，通過(guò)鋼纜傳遞給錨塞體，使得錨塞體與圍巖一起響應(yīng)，此工況是在常規(guī)靜力荷載基礎(chǔ)上再輸入主纜的附加動(dòng)張拉荷載，計(jì)算結(jié)果為錨碇對(duì)常規(guī)靜力荷載響應(yīng)與地震時(shí)主纜附加動(dòng)張拉荷載響應(yīng)的疊加。

3.1 模型建立

根據(jù)普立特大橋錨區(qū)勘探斜洞地震波測(cè)試資料，隧道錨碇的動(dòng)力學(xué)參數(shù)參照靜力參數(shù)計(jì)算，普立錨區(qū)的巖體材料和錨碇動(dòng)力參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 錨區(qū)巖體和隧道式錨碇動(dòng)力參數(shù)

主纜動(dòng)張拉模型幾何尺寸與靜力計(jì)算尺寸相同。

筆者采用人工合成主纜動(dòng)張拉荷載時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，建立數(shù)值模型對(duì)隧道式錨碇子結(jié)構(gòu)錨塞體在主纜動(dòng)張拉荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，探討地震作用下錨塞體的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及其破壞失穩(wěn)特點(diǎn)。地震動(dòng)力特性取決于地震動(dòng)的振幅、頻譜和持時(shí)。采用研究區(qū)50 年超越概率為63%的地震時(shí)主纜動(dòng)張拉荷載的比例系數(shù)ξ，根據(jù)主纜承載設(shè)計(jì)張拉力T，運(yùn)用高斯分布的隨機(jī)數(shù)人工合成地震主纜動(dòng)張拉荷載時(shí)程曲線，見(jiàn)圖6。

主纜地震響應(yīng)荷載與常規(guī)設(shè)計(jì)荷載疊加后作用給錨塞體，再由錨塞體傳遞給周圍圍巖。考慮地震時(shí)主纜纜索的柔性阻尼，地震動(dòng)張拉具有一定的間歇性，計(jì)算主纜動(dòng)荷載頻率為0～2 Hz。

圖6 主纜地震隨機(jī)響應(yīng)荷載Fig.6 The main cable random seismic load

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在錨塞體底面角點(diǎn)及頂面頂點(diǎn)布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，前錨面角點(diǎn)S2，S3；后錨面角點(diǎn)S1，S4；前錨面頂點(diǎn)S5；后錨面頂點(diǎn)S6；見(jiàn)圖7。通過(guò)ANSYS時(shí)間后處理器得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)力的時(shí)程響應(yīng)。

對(duì)S1～S6監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從ANSYS時(shí)間后處理器中分別提取x，y軸方向位移(由于錨塞體主要在x-y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，z軸方向位移很小，因此不考慮在z軸方向位移)，計(jì)算結(jié)果得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖8。

圖7 錨塞體監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.7 Monitoring point of anchor plug body

圖8 S1～S6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.8 Curve of monitoring point displacement from S1 to S6

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于計(jì)算結(jié)果中包括靜力荷載的響應(yīng)，取S1，S3，S5，S6監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移幅值范圍寬度ΔU作為觀測(cè)量，數(shù)值結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 S1，S3，S5，S6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移幅值

從6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線可以看出：監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1～S6在y軸向位移峰值較小，y軸向振動(dòng)不明顯；在x軸，z軸向位移振型大體一致，而y軸向振型差別較大；從錨塞體底面S1～S4觀測(cè)點(diǎn)可以看出，錨塞體前錨面角點(diǎn)S2，S3在x軸向位移振動(dòng)較錨塞體后錨面角點(diǎn)S1，S4劇烈；在x，y軸方向，0～4.4 s及6.35～10.65 s時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)較為劇烈；前錨面頂點(diǎn)S3監(jiān)測(cè)點(diǎn)在x軸向位移幅值最大，幅值范圍寬度ΔU(x)=0.2 mm。

4 結(jié) 論

1)計(jì)算了普立特大橋隧道式錨碇模型在主纜設(shè)計(jì)張拉荷載作用下錨區(qū)巖體和錨塞體的靜力響應(yīng)。驗(yàn)算其常規(guī)設(shè)計(jì)荷載作用下的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2)地震時(shí)，從錨塞體及洞口邊坡對(duì)主纜動(dòng)張拉力荷載的響應(yīng)方面考慮。以錨塞體底面4個(gè)角點(diǎn)及錨塞體前后錨面2個(gè)頂點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力及應(yīng)力幅值分析，得到錨塞體前錨面質(zhì)點(diǎn)的響應(yīng)比錨塞體后錨面質(zhì)點(diǎn)響應(yīng)更強(qiáng)烈；在約0～4.4 s及6.35～10.65 s時(shí)間段內(nèi)錨塞體監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)烈，錨塞體和圍巖的緊密接觸導(dǎo)致接觸圍巖質(zhì)點(diǎn)塑性應(yīng)變積累加劇等。

3)通過(guò)錨塞體對(duì)主纜動(dòng)張拉力的響應(yīng)分析結(jié)果，分析錨區(qū)巖體及隧道式錨碇的動(dòng)力穩(wěn)定性，對(duì)隧道式錨碇的加固及抗減震措施的提出提供了參考。

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Analysis of Mechanics Response for Tunnel Anchorage to Dynamic Tension Force from Main Cable

Li Ming, Yuan Xiaowei, Chen Qi, Hu Jun

(State Key Laboratory Cultivation Base for Bridge & Tunnel Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

By using the finite element software ANSYS, the tunnel anchorage of Puli Bridge was analyzed. The stability of tunnel anchorage under non-dynamic tensile load in the main cable was calculated. When earthquake occurs,with the consideration of anchor piug body to tensile load in main cable, the four corners of the bottom surface and the two vertexes of front and back surface were monitored. Through the stress and stress amplitude analysis of monitored points, it shows that the response of the plug body of former anchor surface is more strongly than that of the back surface.

bridge engineering; tunnel anchorage; dynamic tension force; time curve

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.06

2014-09-30；

2014-11-26

山區(qū)橋梁與隧道國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地基金項(xiàng)目(CQSLBF-Y13-3)

李 明(1978—)，男，河南南陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事公路隧道與巖土工程方面的研究。 E-mail：lijianming7805@126.com。

U442.5+5;TU454

A

1674-0696(2015)02-024-04