隧道式锚碇动张拉荷载响应分析

李 明,袁晓伟,陈 奇,胡 君

(重庆交通大学 山区桥梁与隧道国家重点实验室培育基地,重庆 400074 )



隧道式锚碇动张拉荷载响应分析

李 明,袁晓伟,陈 奇,胡 君

(重庆交通大学 山区桥梁与隧道国家重点实验室培育基地,重庆 400074 )

运用ANSYS有限元软件，以普立特大桥隧道式锚碇为原型进行三维仿真分析。仿真计算了隧道式锚碇在主缆非动力设计张拉荷载下的稳定性；地震时，从锚塞体对主缆动张拉力荷载的响应方面考虑，以锚塞体底面4个角点及锚塞体前后锚面2个顶点为监测点，分析了计算所得的应力及应力幅值。结果表明：锚塞体前锚面质点的响应比锚塞体后锚面质点响应更加强烈。

桥梁工程；隧道式锚碇；动张拉；时程曲线

由于具有开挖量低、对环境扰动小和造价较低等优点，隧道式锚碇在悬索桥锚碇工程中应用日益广泛[1-7]。现阶段对隧道锚结构及边坡岩体进行对比和评价的文献大多通过静力分析来探索锚碇的结构受力和状态，对于处于地震状态和车桥或者车桥风综合作用下的动力特性而言，研究是远远不够的。笔者结合工程实例，采用有限元数值模拟软件ANSYS对隧道式锚碇作仿真分析。将对隧道式锚碇系统在受到地震作用引起的主缆动张拉响应进行模拟，重点分析敏感部位锚碇的变形以及洞口边坡的稳定，以期获得可能的破坏模式。

在地震时悬索桥桥墩、桥梁及缆索等结构响应产生大位移、大变形，主缆荷载在地震时会产生附加动张拉荷载，通过钢缆传递给锚塞体，使得锚塞体与围岩一起响应，此工况是在常规静力荷载基础上再输入主缆的附加动张拉荷载，计算结果为锚碇对常规静力荷载响应与地震时主缆附加动张拉荷载响应的叠加。

1 工程背景

普立特大桥位于普宣高速公路第4合同段处，跨越普立大沟，为国道横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。普立特大桥采用了隧道式锚碇，隧道锚区位于走向南西山脊，顺山脊北西侧发育一冲沟，冲沟切深约80 m，锚碇区地面高程1 805～1 835 m，地形坡度30～35°，其左侧锚碇基本顺一走向南西的小冲沟展布，冲沟宽约10 m、切割深度约5 m。

该大桥地处地震发育带，经常发生5.0级以上的地震，严重威胁着该大桥的运营安全。桥址区隧道式锚碇地质岩体主要以灰岩和白云岩为主，岩土物理性质设计参数如表1。

锚塞体混凝土与洞壁岩体黏结强度一般由试验确定，黏结强度τq=1.0 MPa。

根据普立特大桥隧道式锚碇主要工程材料，锚塞体采用C30混凝土，栓塞体和预应力钢束的计算参数见表2。

表1 岩土物理力学性质设计参数

表2 锚塞体及预应力钢束参数

2 考虑设计荷载的主缆张拉

2.1 模型建立

把锚塞体看作理想弹性材料，采用3D等参实体单元So1id65单元模拟混凝土锚塞体，共有Solid65单元2 674个，为扫略方式生成六面体单元，节点3 000个。把岩体看作理想弹塑性材料，单元采用Drucker-Prager屈服准则的空间等参实体单元，共有Solid45单元14 530个，为扫略方式生成六面体单元，节点8 123个，预应力筋采用Link单元，共有Link单元826个，节点885个。数值模型如图1。

图1 ANSYS数值模型Fig.1 ANSYS numerical model

锚区岩体的设计参数取值见表1。混凝土与围岩摩擦系数均取0.65；围岩材料的摩擦角φ=30°；内聚力c=1.0 MPa。锚塞体及预应力钢束参数取值见表2，采用温控法张拉预应力筋，预应力钢束的温度膨胀系数k=2.0×10-5。

锚塞体的外表面和围岩表面之间将构成面面接触对。利用接触单元能够考虑锚塞体和围岩之间接触面的固定、滑动和张开这3种接触状态，能够模拟围岩的初始间隙和初始应力的穿透，并能够模拟初始状态的两物体间的摩擦滑动、张开、闭合。对于锚锭与围岩相互接触的区域采用atgret170和ocntact174接触单元模拟接触面[8]。

为了增加锚塞体混凝土的整体刚度及抗拉强度，在锚塞体内配置预应力钢束，通过锚固系统将预应力钢束锚固其中，列与列预应力钢束位置相互错动，预应力钢束间距1 m。ANSYS中预应力筋采用Link180单元，共有Link180单元826个，节点885个，见图2。

图2 锚塞体前锚面预应力钢束布置图Fig.2 Anchor plane prestressed steel beam layout

预应力钢束弹性模量Ee=2.0×105MPa，泊松比μ2=0.3，采用温控法张拉预应力筋，钢筋的温度膨胀系数k=2.0×10-5。

2.2 主缆静力张拉计算

根据设计，普立特大桥锚碇处主缆实际恒载缆力为80 842 kN，主缆缆索与水平面夹角为42°。锚塞体前锚面与散索鞍张拉多束钢缆来传递主缆张拉力(图3)。假设所有钢束平均分担主缆的张拉荷载，钢束数为59束，则每根钢束拉力1 370.203 kN。模型中将每根钢缆的设计荷载等效为锚塞体前锚面的节点力，通过节点力的施加，模拟主缆对锚塞体的张拉。

图3 主缆张拉示意Fig.3 Main cable tension diagram

锚塞体在主缆张拉作用下有沿着主缆荷载方向的运动趋势，见图4(a)。当锚塞体受到主缆的张拉作用，锚塞体将荷载传递给周围围岩，从图4(b)结果可以看出，锚塞体上部岩体及边坡竖向拉应力较大，后锚室后部岩体也出现拉应力区。 而锚塞体下部由于岩体自重场的存在，呈现有梯度形状的压应力区(随着高程的减少，岩体内竖向压应力逐渐增大)。

图4 锚塞体与围岩作用应力计算结果(对称剖面)Fig.4 The calculation results of anchor plug and surrounding rock stress

通过ANSYS后处理器，提取锚塞体第一强度应力计算结果〔图5(a)〕。由于预应力张拉的效果，在前后锚面中间区域出现圆面域压应力区；锚塞体拱顶受到围岩的挤压出现压应力区，因此在工程锚塞体施工中，应注意压应力区(前锚面到后锚面方向8～25 m)的钢拱架采用加固工程措施。从图5(b)可以看出，当受到主缆张拉作用下锚塞体总位移量沿着锚塞体轴向层状分布，在前锚面位移量最大(50.455 m)，沿着轴向逐渐减小。施工中，在前锚面处应加强钢筋网布设、混凝土喷浆、锚杆的施作等，将锚塞体紧密镶嵌于围岩中，增加锚塞体与围岩的整体性。

图5 主缆张拉荷载下锚塞体计算结果Fig.5 The calculation results of main cable tensile load of anchor plug body

3 主缆附加动张拉计算

〗在地震时悬索桥桥墩、桥梁及缆索等结构响应产生大位移、大变形，主缆荷载在地震时会产生附加动张拉荷载，通过钢缆传递给锚塞体，使得锚塞体与围岩一起响应，此工况是在常规静力荷载基础上再输入主缆的附加动张拉荷载，计算结果为锚碇对常规静力荷载响应与地震时主缆附加动张拉荷载响应的叠加。

3.1 模型建立

根据普立特大桥锚区勘探斜洞地震波测试资料，隧道锚碇的动力学参数参照静力参数计算，普立锚区的岩体材料和锚碇动力参数见表3。

表3 锚区岩体和隧道式锚碇动力参数

主缆动张拉模型几何尺寸与静力计算尺寸相同。

笔者采用人工合成主缆动张拉荷载时程作为地震动输入，建立数值模型对隧道式锚碇子结构锚塞体在主缆动张拉荷载作用下的响应进行计算分析，探讨地震作用下锚塞体的动力响应规律及其破坏失稳特点。地震动力特性取决于地震动的振幅、频谱和持时。采用研究区50 年超越概率为63%的地震时主缆动张拉荷载的比例系数ξ，根据主缆承载设计张拉力T，运用高斯分布的随机数人工合成地震主缆动张拉荷载时程曲线，见图6。

主缆地震响应荷载与常规设计荷载叠加后作用给锚塞体，再由锚塞体传递给周围围岩。考虑地震时主缆缆索的柔性阻尼，地震动张拉具有一定的间歇性，计算主缆动荷载频率为0～2 Hz。

图6 主缆地震随机响应荷载Fig.6 The main cable random seismic load

3.2 计算结果及分析

在锚塞体底面角点及顶面顶点布置6个监测点，前锚面角点S2，S3；后锚面角点S1，S4；前锚面顶点S5；后锚面顶点S6；见图7。通过ANSYS时间后处理器得到监测点的位移、应力的时程响应。

对S1～S6监测点，从ANSYS时间后处理器中分别提取x，y轴方向位移(由于锚塞体主要在x-y平面内运动，z轴方向位移很小，因此不考虑在z轴方向位移)，计算结果得到监测点的位移时程曲线见图8。

图7 锚塞体监测点Fig.7 Monitoring point of anchor plug body

图8 S1～S6监测点位移时程曲线Fig.8 Curve of monitoring point displacement from S1 to S6

对计算结果进行统计，由于计算结果中包括静力荷载的响应，取S1，S3，S5，S6监测点的位移幅值范围宽度ΔU作为观测量，数值结果见表4。

表4 S1，S3，S5，S6监测点位移幅值

从6个监测点的位移时程曲线可以看出：监测点S1～S6在y轴向位移峰值较小，y轴向振动不明显；在x轴，z轴向位移振型大体一致，而y轴向振型差别较大；从锚塞体底面S1～S4观测点可以看出，锚塞体前锚面角点S2，S3在x轴向位移振动较锚塞体后锚面角点S1，S4剧烈；在x，y轴方向，0～4.4 s及6.35～10.65 s时间段内振动较为剧烈；前锚面顶点S3监测点在x轴向位移幅值最大，幅值范围宽度ΔU(x)=0.2 mm。

4 结 论

1)计算了普立特大桥隧道式锚碇模型在主缆设计张拉荷载作用下锚区岩体和锚塞体的静力响应。验算其常规设计荷载作用下的承载能力满足设计要求。

2)地震时，从锚塞体及洞口边坡对主缆动张拉力荷载的响应方面考虑。以锚塞体底面4个角点及锚塞体前后锚面2个顶点为监测点，通过计算出来的应力及应力幅值分析，得到锚塞体前锚面质点的响应比锚塞体后锚面质点响应更强烈；在约0～4.4 s及6.35～10.65 s时间段内锚塞体监测点振动强烈，锚塞体和围岩的紧密接触导致接触围岩质点塑性应变积累加剧等。

3)通过锚塞体对主缆动张拉力的响应分析结果，分析锚区岩体及隧道式锚碇的动力稳定性，对隧道式锚碇的加固及抗减震措施的提出提供了参考。

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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

山区桥梁与隧道国家重点实验室培育基地基金项目(CQSLBF-Y13-3)

李 明(1978—)，男，河南南阳人，副教授，博士，主要从事公路隧道与岩土工程方面的研究。 E-mail：lijianming7805@126.com。

U442.5+5;TU454

A

1674-0696(2015)02-024-04