箱形—预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇应用.doc

箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇应用摘要：锚碇是悬索吊桥的主要结构之一，锚碇对地形和地质条件有选择要求，影响到吊桥的造价和桥型选定。由于地质因素的复杂和不确定性，都以重力式锚碇的摩擦力为明确、安全、可靠。但是在地震强烈地区，地基摩擦力很不可靠。西藏墨脱公路西莫河和达果大桥的地形、地质条件很差，地震影响强烈。采用了箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇，获得了好的效果。一.工程概况西藏墨脱公路是全国最后一条通县公路，结束了高原“孤岛”历史，墨脱正飞跃进入现代化发展。公路穿越嘎隆拉雪山，沿嘎隆藏布、金珠藏布和雅鲁藏布江南下到墨脱县城。公路穿越雪山隧道、峡谷和江河，地形十分艰险，路线布线很困难。公路沿线经过冰川、积雪、雪崩、泥石流、坍塌和山体崩塌，雨季经常发生，是难以根治的自然灾害，工程十分艰巨。按四级公路（部分三级）保通原则修建，全路要求控制在10亿元内。墨脱降水量达到2700毫米，是积雪、泥石流、坍塌和山崩的诱发因素，雨季时间长，施工十分困难。墨脱又是印度与高原板块挤压和雅鲁藏布江断裂地带，地震达到8.6级和烈度大于9度，地质很破碎，十分不稳定。中、小桥梁基本都是采用贝雷钢桁架桥梁跨越，唯西莫河和达果大桥采用悬索吊桥飞越。西莫河和达果大桥需要满足经济、边防建设需要，适应抗震防灾、抗风稳定需要，建成经济、实用、美观和耐久性好的桥梁，体现墨脱现代化发展形象，符合旅游景观需要。二.桥梁简况：1.达果桥达果桥位于金珠拉峡谷口前K110+098处，桥梁孔跨与桥位地形和路线线形相配合的坡桥，峡谷口比较狭窄，岸边基岩已出露。主桥为75米跨径的悬索吊桥，悬索垂跨比F/L=1/9，桥面距河底高度为41米，引桥为（2+3）孔15米跨径的二肋式钢筋混凝土现浇曲线刚架梁桥。2. 西莫河大桥 西莫河大桥位于西莫河峡谷口和雅鲁藏布江边K134+910处，桥梁孔跨与桥位地形和路线线形相配合的坡桥，峡谷口上宽、下窄，下部岸边有基岩出露。主桥为120 m跨径吊桥，悬索垂跨比F/L=1/12，桥面距河底高度为63 m，引桥为（4+2）孔15 m跨径二肋式钢筋混凝土现浇曲线刚架梁桥。 两桥主桥的结构形式相同，只是悬索直径、跨径、垂跨比、塔架高度和锚碇大小各不相同，引桥的平面线形、长度和墩高各异。桥面净宽7m，设计荷载为公路-级标准，达到公路-级标准。桥梁景观造型新颖，近景壮实安全，远景轻盈美观。三.技术状况两座吊桥的技术特点，是将预应力技术移植应用在悬索吊桥上，使吊桥的设计和施工技术发生新的改进、变化。两座桥设计是特别针对墨脱自然地理环境很差和地震灾害特别严重的情况，在技术上有较多改进和发展。其中箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇是复合型锚碇，采用箱形重力式锚碇与预应力抗滑锚桩相组合，适应平行钢绞线主缆索的锚固需要，保证锚碇安全，独具特点。四.箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇1.原因西莫河大桥和达果桥的地形很差，地质为坡积层，下伏基岩很破碎，地震为8.6级，烈度大于9度，山崩时有发生，不适宜作隧道锚碇。采用重力式锚碇的摩擦力稳定性差，在强烈地震横波作用下，摩擦力极不可靠，不能够满足抗震稳定需要。故采用具有多种稳定形式的复合锚碇，即箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇。2.原理箱形重力式锚碇的圬工数量较小，而填土压重较大。预应力抗滑扩头锚桩深度较大，预应力筋是桩的强有力配筋，桩基扩头便于施加预压力，能够获得向下的巨大稳定锚压力，是相当于巨大压重。复合锚碇兼具重力摩擦和抗滑桩二者的优越性，锚碇与周围地基能够共同结合受力，呈现出共同旋转形式变形，使组合锚碇的抗震稳定性大为加强。所以抗滑和稳定性能很好，既能够满足抗地震横波影响的需要，又便于主缆索与桩的竖向预应力转向交接和锚固，使吊桥主缆索锚固形式大为简化，是其特点和优点。3.优点预应力抗滑锚桩的桩底作成扩头形式，挖孔施工简便，扩大桩头便于预应力锚头设置，更有利于加压于地基土层，加强地基稳定。预应力筋下端作死端锚固，宜采用钢绞线压花锚头。预应力筋采用无粘结力较方便，也可以设排气管作压、灌浆处理。预应力抗滑扩头锚桩，实际上可以看作是隧道式锚碇作竖向转折的变化使用形式，而竖向开挖施工比隧道施工更方便、安全。箱形-预应力抗滑锚桩组合锚碇的安全稳定性好，很适合平行钢绞线主缆索锚固，应该是吊桥锚碇的基本实用形式，具有发展和实用意义。 4.先进性预应力抗滑扩头锚桩就是抗滑桩，而一般钢筋混凝土抗滑桩，都是采用普通劲性粗钢筋、粗钢筋束或型钢，用钢量都大，是被动纯曲受力形式，钢筋要充分发挥作用，桩已经开裂和变形严重。预应力抗滑桩采用预应力钢绞线，用钢量较小。预应力抗滑锚桩是主动偏心受压，属于压、弯受力形式，可以使抗滑桩的刚度增大，成为主动抗弯受力，更为科学合理。预应力抗滑锚桩的横断面积大，有地基土保持稳定，可以承受巨大的预应力，不必像预应力混凝土那样采用高强度混凝土。抗滑锚桩的预应力张拉时，锚碇出现向后位移变形，充分反映出抗滑锚桩的主动抗弯特性。实际箱形-预应力抗滑扩头锚桩组合锚碇，也有树大根深的作用原理，兼具重力式扩大基础和抗滑桩的优点，安全稳定性更好。5.计算复杂性复合形式锚碇的施工简单，但是不便于计算，再加上地基土力学的不确定因素，计算复杂和困难。对于复杂的问题，难以计算清楚，只能做偏于安全简化近似计算处理，需要不同计算作比较。简化近似计算既然复合锚碇是多种力的复合作用，仍然可以是先按重力和摩擦力作简化计算，看它发挥了多大作用，然后再看还差多少。对预应力抗滑扩头锚桩也作简化计算，看它有多大作用。对于两者的作用能力，作简单叠加组合，看其满足情况，再作足够的加强，也基本上安全可行。程序验算复合形式锚碇受力计算虽然很复杂，现在电子计算机程序功能巨大，对复杂问题都可以作仿真模拟计算。采用计算机程序作整体的模拟仿真计算，尽管土力学影响因素复杂，计算结果有一定误差，也是八、九不离十，地基土和锚碇结构的变形、内力和应力规律能够反映出来，能够及时发现问体，以便及早再作加强处理，这是计算机程序的优越和先进性，使对复合形式锚碇的认识大为提高。采用迈达斯“MIDAS”程序作整体建模，在变形协调的原则下，作地基土体的平面应力板单元、锚碇体和抗滑桩梁单元的混合计算，是对简化计算的比较、证明。五.计算结果原设计1.锚碇重力：V=583+28.6=611.6m G=611.6x22=13455kn(1) 预应力抗滑锚桩砼：V=166m G=166x22=3652kn(2) 锚碇填土及压重：V=1064m G=1064x18=19152kn 锚碇压重合计：G=13455+3652+19152=36259kn2.抗滑稳定(1)锚定重力： f=0.4 H= G f =14504knHmax=14974kn 抗滑稳定系数：K= H / Hmax =14504/14974=0.97K=1.3不满足 (2)锚碇抗滑锚桩预加应力：V=2x10000=20000kn锚碇压重+预压应力合计：G=36259+20000=42259kn摩擦力：H= G f=56259x0.4=22504knHmax=14974kn 抗滑稳定系数：K= H / Hmax=22504/14974=1.5K=1.3满足(3)单独按预应力锚桩直剪抗滑计算：Hmax=14974kn 锚桩直剪面积：A=2x0.785x2.50=9.8125m 锚桩抗剪强度：f=Hmax/ A=14974/9.8125=1.53 Mpa fvd=2.09 Mpa满足需要取决于锚碇地基土体的稳定，锚桩成弯曲受力和变形。施工变动抗滑锚桩设计有竖向无黏结预应力筋，下部采用钢绞线压花锚头，压花锚头是固定端锚固的最好形式。施工未按设计要求购买钢绞线压花机，而是将钢绞线改为散开扳折的形式作锚头，未作锚固抗拔试验，擅自改变锚头设计的行为错误。在主缆索架设时，对一根剩余钢绞线锚头作抗拉测试，只能达到45kn拉力，其后锚头缷载，锚头钢丝被拔出。为了不破坏锚头，对一束715.2mm钢绞线作逐级加载测试张拉，张拉力达到464.26kn时，松顶后钢绞线弹性延伸回缩，说明下端锚头尚未完全失效。为了保证下端锚头安全，对每束钢绞线只张拉278.56kn，即为测试张拉力的60%，以保证下端锚头安全。抗滑锚桩竖向预应力筋10x715.2mm设计为10000kn，远未达到设计要求，只达到设计值的1/4，严重削弱了抗震潜力，是严重的工程事故。鉴于抗滑锚桩竖向预应力较大削弱，仍然又能够起到相当大的作用，采用对锚碇作土、石压重加强和加固处理，以保证锚碇绝对安全。即在锚碇后方或侧面加设大于60m和厚度60cm的片石砼压重摩擦板，设锚杆将锚碇与压重摩擦板或基岩相连接，再压填8m厚度土、石作压重，采取这种作法作补救的施工简单。修改计算 1.锚碇重力(1) 锚碇箱砼： V=583+28.6=611.6m G=611.6x22=13455kn(2) 预应力抗滑锚桩砼：V=166m G=166x22=3652kn(3) 锚碇填土及压重：V=1064m G=1064x18=19152kn 锚碇压重合计：G=13455+3652+19152=36259kn2.抗滑稳定(1)锚定重力：f =0.4 摩擦力：H= G f =36259x0.4=14504knHmax=14974kn抗滑稳定系数：K= H / Hmax =14504/14974=0.97K=1.3不满足(2)锚碇抗滑锚桩预加应力：V=2x10x278.56=5571kn锚碇压重+预压应力合计：G=36259+5571=42100kn H= G F=42100x0.4=16840knHmax=14974kn 抗滑稳定系数：K= H / Hmax=16840/14974=1.1K=1.3不满足(3)锚碇再增加摩擦板压重力：V=60x10x18=10800kn 锚碇压重+预压应力+摩擦板压重：G=42100+10800=52900knH= G F=52900x0.4=21160knHmax=14974kn 抗滑稳定系数：K= H / Hmax=21160/14974=1.4K=1.3基本上满足3.锚碇的地基应力：G=52900kn A=11x14+60=214m =G/A=52900/214=247Kpa0=400 Kpa整体模拟仿真计算：土体的弹性变形强度和稳定性，需要采用有限单元法平面应力计算来证明，采用迈达斯“MIDAS”程序，对地基土体平面应力板单元与锚碇体梁单元作混合计算。地基土体的弹性模量大、小，对锚碇水平变形影响大。锚碇体的刚度大，锚碇下土体受压重和侧限影响的弹性模量较高。波密岸锚碇 计算资料：锚碇计算范围：长度40m和厚度28m。单元厚度：地基土22 m、锚箱底板16 m、箱壁4m、横墙10m、填土16 m、 桩基5m、桩基扩头7m、挡墙22 m、挡墙基础22 m、支承桩基3m、支承桩基扩头5m。单元材料：地基：块石砂土（弹性模量E=1500kn/m）、锚箱底板：C20小石子砼砌体、箱壁：C20小石子砼砌体、横墙：C30砼、填土：砂石土（弹性模量E=1500kn/m）、桩基：C30砼、桩基扩头：C30砼、挡墙：C20小石子砼砌体、挡墙基础：C20小石子砼砌体。荷载力：水平力H=14974kn、上拔力V=4127kn、预应力（压）F=5600kn。 计算结果：节点X方向变形： fmax=-3 cm 墨脱岸锚碇计算资料：锚碇整体计算范围：长度40m和厚度28m。单元厚度：地基土20m、锚箱底板14m、箱壁4m、横墙10m、填土16m、 桩基5m、桩基扩头7m、挡墙20m、挡墙基础20m、支承桩基3m、支承桩基扩头5m。单元材料：地基：块石砂土（弹性模量E=1500kn/m）、锚箱底板：C20小石子砼砌体、箱壁：C20小石子砼砌体、横墙：C30砼、填土：砂石土（弹性模量E=1500kn/m）、桩基：C30砼、桩基扩头：C30砼、挡墙：C20小石子砼砌体、挡墙基础：C20小石子砼砌体。荷载力：水平力H=14974kn、上拔力V=3623kn、预应（压）力F=5600kn。 计算结果：节点X方向变形：fmax=-2.7 cm 程序模拟仿真计算，形象的显示出箱形重力与预应力锚桩复合型锚碇的实际稳定、变形和受力状态，具有整体旋转的特点，要发生有限较小位移。锚碇自重、压重和预应力与抗滑锚桩共同作用，保持了锚碇稳定和较小变位。锚碇地基土体的弹性模量大小，对变位有很大影响。锚碇与锚桩为倒“L”形刚构，锚碇下压土基，可减小锚桩的弹性变形，比一般抗滑桩的弹性变形小。 桥面钢-混加劲桁架的混凝土加载重量较大，采用垂球挂线观察，尚未发现明显位移变化，通车一年多也无变化，说明锚碇是处于稳定状态。证明地基土体与复合锚碇能够联合和协调共同受力，预应力抗滑锚桩具有明显稳定作用。对预应力抗滑锚桩张拉竖向预应力时，观察到锚碇有向后微小变形，充分证明预应力抗滑锚桩是起到主动抗弯作用，优于一般抗滑桩被动抗弯作用，预应力抗