黄彩华， 殷永高

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着交通运输业的发展，桥梁建设也在不断进步，在大跨度桥梁建设方面，悬索桥由于其受力明确，跨越能力大且线形优美而备受推崇[1]。目前，已建成的跨度在千米以上的桥梁大多采用悬索桥形式，其中，日本的明石海峡大桥主跨1 991 m,是当前世界上跨度最大的悬索桥。对于悬索桥来说，锚碇是主要的承载结构，承担着将主缆拉力传递给地基的作用，而主缆拉力通常较大，所以锚碇是保证悬索桥结构稳定的关键部分[2]。悬索桥锚碇形式主要分为重力式锚碇和隧道式锚碇。当下悬索桥选用较多的为重力式锚碇，重力式锚碇根据基础类型可分为直接基础型和人工基础型。其中人工基础又可分为沉井、沉箱以及地下连续墙等[3]。随着悬索桥建设的快速发展，对悬索桥锚碇的要求也随之提高。传统的重力式锚碇由于未能充分发挥土体抗力及土体与锚碇的摩擦力作用，存在锚碇体积大、材料利用率低等问题，造成工程量大、经济效益差。如何对传统的重力式锚碇结构形式进行创新，在原有的锚碇基础形式上做出改进，带动和利用地基的承载性能来提升重力式锚碇结构本身的变形和承载性能，并带来经济效益的提高，有着重要的研究意义。殷永高等[4,5]等根据已有的关于厚覆盖层地区锚碇基础试验研究，在对沉井重力式锚碇的受力机制进行分析的基础上，提出了一种新型悬索桥锚碇基础形式-根式锚碇基础,为今后同类工程施工提供了一种新的思路。本文针对G3铜陵长江公铁大桥南锚碇提出了一种新型板桩复合式锚碇方案，通过数值模拟分析方法，分析了不同锚碇施工结束以及悬索桥运营状态下该锚碇的变位情况，初步验证该锚碇方案的可行性。

1 工程概况

G3铜陵长江公铁大桥是既有的铜陵长江公路大桥的替代工程，主桥设计方案拟选用悬索斜拉协作体系，本文研究的对象-新型板桩复合式锚碇为该桥南锚碇初步设计方案。该锚碇基础总长60 m，总宽75 m，基础高24 m。基础下部前端设7道板桩，板桩宽1.2 m，间距12 m。板桩复合式锚碇基础结构图如图1、图2所示。板桩基础、锚体以及承台均采用C35混凝土，主要土层参数见表1。

表1 土体参数表

图1 板桩复合式锚碇结构图

2 数值模型的建立

本文使用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟，分析模型假定岩体为各向同性的均质岩体，服从Mohr-Coulomb屈服准则，锚碇结构采用弹性材料模拟，土体与锚碇结构均采用实体单元模拟。锚碇基础网格模型如图3所示，整体网格模型如图4所示。网格模型建立后需要对模型的物理参数进行设置，物理参数的选取如表1所示。模型建立后，主要对锚碇1施工完毕及运营阶段这两种工况进行模拟，分析其变位规律，验证板桩复合式锚碇方案的可行性。

图3 锚碇基础网格模型

图4 整体网格模型

3 计算结果分析

3.1 锚碇施工完毕时数值模拟分析结果

在锚体施工结束主缆力尚未施加时，锚碇主体部分以及压重块会使得整个锚碇结构受到偏心荷载的作用，可能会导致锚碇结构后倾，发生较大变位。故有必要通过数值模拟对该阶段的锚碇变位情况进行分析，对其稳定性进行验算。

图5与图6分别为板桩复合式锚碇施工完毕后锚碇与土体的竖向位移云图及水平位移云图。由图5可以看出，板桩复合式锚碇在锚体及压重块自重作用下，锚碇基础后方沉降较大，前方沉降较小，锚碇承台发生转动，锚碇结构后倾，土体整体下沉。由图6可以看出，锚碇结构在自重偏心荷载作用下，向后发生水平位移，但位移量较小，承台水平位移小于1 mm，可忽略不计。

图5 板桩复合式锚碇施工完毕后锚碇与土体竖向位移云图

图6 板桩复合式锚碇施工完毕后锚碇与土体水平位移云图

锚碇施工结束后承台的竖向位移曲线如图7所示，可以看出，承台后端的沉降值最大，为13.544 mm，前端沉降值最小，为9.194 mm。

图7 锚碇施工结束承台的竖向位移曲线

3.2 运营阶段主缆拉力作用下数值模拟分析结果

板桩复合式锚碇在运营状态下受到主缆拉力作用，本工程中两根索的总索力为7.65×106kN,与水平方向夹角为28.3°在锚体及压重块以及主缆拉力共同作用下，锚碇基础运营阶段的FLAC3D数值模拟结果如下。图8与图9分别为锚碇接触运营阶段锚碇与土体的水平位移云图及竖向位移云图。

图8 运营阶段锚碇与土体水平位移云图

图9 运营阶段锚碇与土体竖向位移云图

由图8可以看出，板桩复合式锚碇基础在运营状态主缆拉力作用下，承台及板桩基础的水平位移较为均匀，可以认为锚碇整体的水平位移基本一致。其中承台顶部水平位移为14 mm,板桩基础底部水平位移9.5 mm。板桩基础周围岩土体的变位较大，充分发挥了抵抗锚碇水平变位的作用，由此说明，板桩基础起到了预期效果。

由图9可以看出，悬索桥正常运营阶段，在锚碇后方锚体与压重块的偏心压力及主缆拉力共同作用下，锚碇发生偏转，承台前端沉降12.9 mm,后端沉降2.8 mm，锚碇结构前倾，图10为运营阶段承台的竖向位移曲线。

图10 运营阶段承台的竖向位移曲线

4 板桩复合式锚碇可行性探讨

本文通过使用FLAC3D对新型板桩复合式锚碇进行了数值模拟，主要对该锚碇在锚碇施工完成阶段以及运营阶段的变位规律进行了分析，分析结果表明，板桩复合式锚碇在锚碇施工完成阶段，由于锚体及压重的偏心荷载作用，锚碇后倾，锚碇后端最大沉降为13.544 mm，水平变位较小，可忽略不计；在运营阶段，在主缆拉力作用下，锚碇由后倾变位前倾，锚碇前端最大沉降为12.9 mm，此外，在主缆拉力的水平分力作用下，锚碇发生水平位移，承台顶部水平变位为14 mm。

参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，运营阶段锚碇允许水平变位不宜大于0.0001倍主跨跨径，竖向变位不宜大于0.0002倍的主跨跨径。铜陵长江公铁大桥主跨为988 m。参照此规范可确定出锚碇的水平位移限制为Δx=10 cm，竖向位移限值Δy=20 cm。根据模拟结果，锚碇施工完成阶段以及运营阶段的两种工况下，锚碇的变位均满足规范要求，故从变位控制角度来看，板桩复合式锚碇方案是可行的。