既有桥梁隧道锚受力状态分析及健康监测重点

吕曹炯1黄贵明2张望胜2叶梦君2

(1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司武汉430034;

2.宜昌市虹源公路工程监理咨询有限公司宜昌443000)

摘要采用有限元软件对坝陵河大桥隧道锚进行受力状态分析，表明隧道锚整体是稳定的，需对局部区域加强监控。根据应力计算结果，需加强监控的区域是前锚室空腔上部、后锚室空腔上部和支墩远离锚体一侧的下部；根据位移计算结果，需加强监控的区域是支墩及前锚室区域处围岩、主缆护室和后锚室围岩。根据计算结果确定隧道锚运营期健康监测测点的布设，并指导实测数据分析。

关键词悬索桥隧道锚有限元健康监测

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.023

收稿日期：2014-10-29

悬索桥是一种柔性结构，跨越能力大，主要包含主梁、缆索、塔墩和锚碇4大部分。通过锚碇将主缆张力传递给地基，锚碇的构造形式有重力锚、隧道锚和土锚等[1]。其中隧道锚用于节理较少、岩体力学性能较好的地方，它是将围岩与锚碇组成整体共同受力的体系。因此，隧道锚在结构受力上更为合理，且工程量小、工程造价低，在地质条件适宜的地区，是悬索桥锚碇的首选形式[2-3]。

隧道锚持力层距地表较浅，着力直接，岩体稳定性好。但要增加隧道锚的锚固力，则需增加锚碇与围岩接触面轴向投影面积，现有理论很难描述和解答，其设计基本采用工程类比法。而室内模型试验受边界条件和成本限制，无法获得满意的结果。相对的，数值分析方法可以考虑多种工况、材料非线性和几何非线性等情况，其计算成果更能指导工程实际，是一种比较理想的研究方法[4-5]。

本文采用有限元软件建立了坝陵河大桥隧道锚的三维模型，分析了锚碇的应力场和位移场分布，以及锚碇的稳定性问题。研究结果对悬索桥隧道锚的施工、设计及运营期健康监测测点的布设及实测数据的分析均具有指导意义。

从上述荷载试验检测结果看，其与本文提出的基于长期监测信息的桥梁评估结果相吻合，表明本文提出的基于应力监测的连续刚构大桥安全评估技术是切实可行的。

参考文献

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1有限元模型

1.1　模型网格划分

坝陵河大桥隧道锚隧洞轴线总长度80.44m，从垂直地面算起最大深度约95.0m，后端部总宽49m。隧洞总轴线长度为74.34m，其中前锚室轴线长度31.34m，锚塞体轴线长度40.0m，后锚室轴线长度3.0m。隧洞口单洞断面尺寸为10.0m×10.8m，拱顶半径5.0m；洞底单洞断面尺寸为21.0m×25.0m，拱顶半径10.5m。

在建立有限元模型时，岩体和锚碇均采用实体单元建立三维地质计算模型，模型顺桥向长350m，垂直桥梁向宽310m，竖直高度最高处400m。

锚碇结构的网格剖分图见图1，从下向上依次为后锚室、锚塞体、前锚室、散索鞍支墩和主缆护室。

图1锚碇模型及网格剖分

模型网格剖分采用四面体单元，整个模型共35 365个节点，16 5518个四面体单元。山体侧设定为自由边界，其余侧为设为固定边界。

1.2　计算参数及边界条件

岩体单元采用摩尔-库伦本构关系，锚碇混凝土单元采用弹性本构关系。岩土的主要力学参数见表1。

表1　岩体物理力学计算参数表

锚碇结构散索鞍、支墩及前锚室混凝土等级为C40，锚塞体混凝土等级为C30。锚碇主要承受强大的主缆拉力，每根主缆拉应力约为270MPa。实际模型荷载作如下处理：

(1) 将锚塞体上的预应力作用在锚塞体的前锚面和后锚面上，均布力的大小分别为-3.224MPa(前锚面)和1.034MPa(后锚面)。

(2) 锚塞体承受的主缆拉力均匀作用在前锚面上，均布力的大小为1.832MPa。

(3) 支墩靠近前锚室斜面作用均布力，大小为-1.578MPa。

(4) 公路隧道路面施加均布力为-0.105MPa。

(5) 岩体和锚碇均考虑自重作用，做初始化计算。

2受力状态分析

2.1　应力场分析

为避免锚碇混凝土结构开裂,验证锚碇结构的安全及耐久性，需要分析岩体和锚碇结构的应力场。锚碇表面水平应力sxx分布见图2。

图2　锚碇表面水平应力s xx分布图

由图2可见，锚碇后锚室顶部最大拉应力为1.35MPa；前锚室空腔上部最大压应力为-2.22MPa。

岩体和锚体应力sxx分量分区明显。岩体下部为压应力区，上部为拉应力区。锚碇后锚室上部为拉应力区，下部为压应力区；前锚室的上部和下部均为压应力区。

水平拉应力分量syy最大值出现在锚碇支墩前方的岩体上，最大压应力在锚碇后锚室下部。锚碇后锚室上部及主缆护室两侧最大拉应力为1.73MPa；后锚室下部最大压应力为-4.98MPa。

syy应力分量分区也很明显。岩体下部主要为压应力区，右上角及锚碇周围有拉应力区。锚碇后锚室上部为拉应力区，下部为压应力区；前锚室靠近支墩、主缆护室主要为拉应力区。

竖直应力分量szz最大拉应力的位置在支墩前下部，最大压应力则在岩体底部，约为-10.89MPa。竖直应力szz主要为重力作用，较水平应力分量syy和sxx都大。

2.2　位移场分析

过大的位移会使结构丧失使用功能，因此，位移监测一直以来都是对结构稳定性进行分析与判定的有力手段。关键断面水平位移Dx，Dy及竖直位移Dz的分布云图见图3～图8，其中水平位移Dx以垂直向外为正，Dy以向右为正，竖直位移向上为正。

图3　锚体及围岩水平位移D x分布剖面图

图4　锚碇表面水平位移D x分布图

由图3和图4可见，锚碇和岩体Dx水平位移很小，最大负位移为-0.18mm，最大正位移为0.19mm。图中2个锚体Dx位移不对称，由上部覆盖的不均匀岩体所致。

图5　锚体及围岩水平位移D y分布剖面图

图6　锚碇表面水平位移D y分布图

由图5可见，水平位移Dy分区明显，受主缆拉力的作用，锚体水平位移Dy均为负值，越靠近锚体位移越大；远离锚体30～60m以外围岩水平变形不大，为0.18mm；上部锚碇周围岩体在受主缆拉力作用，产生了向左的负位移，最大位移在主缆护室位置，为-1.29mm。

由图6可见，锚碇后锚室底部和前锚室中部的位移最小，接近为0；主缆护室最大位移为-1.29mm，因为后期有回填土等的支撑，可以不做特殊处理。

图7　锚体及围岩竖直位移D z分布剖面图

图8　锚碇表面竖直位移D z分布图

由图7和图8可见，主缆护室和前锚室最大竖直位移Dz为-1.20mm，该位移由主缆护室的自重引起，因后期有前台、回填土的支撑，可以不做特殊处理；在锚塞体和后锚室交接部位，产生最大0.95mm的竖直位移，表明锚塞体有被向上拔的趋势；远离锚碇体的岩体，基本无位移。

2.3　稳定性分析

锚碇稳定性分析是超大型岩锚式悬索桥建设的关键技术之一。锚碇受力后的主要稳定性问题有：山体整体变形失稳破坏和倾覆失稳。稳定性分析的关键就是考察锚碇的应力场和位移场。

(1) 锚碇体和围岩的应力场，后锚室、前锚室与支墩交接部位以及支墩下部是应力集中区域。在应力作用下，支墩的位移趋势是向上被顶起，后锚室则是顺着主缆拉力方向被拔出。

(2) 围岩的位移场，基本上以锚碇体为中心，形成了一个楔形，整体位移不大，能满足稳定性要求。

(3) 坝陵河大桥隧道锚整体是稳定的。

3监测重点

由以上受力状态分析结果可以看出：

(1) 隧道锚水平应力场的最大值出现在前锚室空腔上部、后锚室空腔上部；最大竖直应力场的向上应力出现在支墩远离锚体一侧的下部。

(2) 水平位移场最大值出现在支墩及前锚室区域。

(3) 竖直向下位移出现在主缆护室部位，最大向上位移则在后锚室空腔附近。

根据以上计算结果，坝陵河大桥运营期隧道锚健康监测的重点区域是：

(1) 前锚室空腔上部、后锚室空腔上部和支墩远离锚体一侧的下部。

(2) 支墩及前锚室区域处围岩、主缆护室和后锚室围岩。

健康监测系统主要测量参数和布设位置见表2。

表2　隧道锚监测系统主要测量参数和布设位置

采取的布设方式见图9。

图9　隧道锚运营期健康监测测点布设图

根据坝陵河大桥运营期健康监测的数据分析结果看，隧道锚监测测点布设和受力状态分析是合理的。

4结论

(1) 通过数值分析，确定隧道锚的应力场和位移场，并进行了稳定性分析，通过分析，隧道锚后锚室、前锚室与支墩交接部位以及支墩下部是应力集中区域，锚碇位移不大，结构整体是稳定的。

(2) 隧道锚运营期健康监测的重点区域是：前锚室空腔上部、后锚室空腔上部和支墩远离锚体一侧的下部，支墩及前锚室区域处围岩、主缆护室和后锚室围岩。相应区域应布置传感器进行长期监测。

参考文献

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TheAnalysisofForceStateandEmphasisofHealth

MonitoringabouttheAnchorofExistingBridgeandTunnel

Lv Caojiong1,HuangGuiming2,ZhangWangsheng2,YeMengjun2

(1.BridgeScienceResearchInstituteLtd.,ChinaZhongtieMajorBridgeEngineeringGroup,Wuhan430034,China；

2.Hongyuanroadconstructioninspection&managementcorporation,Yichang443000,China)

Abstract：Numerical analysis about force state of the anchor of Balinghe Bridge and tunnel by using finite element software has been performed in this paper. The results show that the anchor of tunnel is stable and partial location needs strengthening monitoring. According to the stress calculating results, the parts which need strengthening monitoring are the upside of former anchor chamber and behind anchor chamber and one side of lower part of buttress which is far from anchor. According to the displacement calculating results, the parts which need strengthening monitoring are the surrounding rock around buttress and former anchor chamber and behind anchor chamber, the protection chamber of main cable. The results of this paper have guiding significance to the measuring point arrangement of health monitoring in operation period and the analysis of measured data of tunnel anchor.

Keywords:suspensionbridge;tunnelanchor;finiteelement;healthmonitoring