武汉阳逻长江大桥锚碇设计

武汉阳逻长江大桥锚碇设计刘明虎, 徐国平, 刘化图( 中交公路规划设计院 北京市 100010)摘 要: 武汉阳逻长江大桥主桥为主跨 1 280 m 悬索桥, 北锚碇采用放坡大开挖深埋扩大基础实腹式锚体重力式锚; 南锚碇采用支护开挖深埋圆形扩大基础框架式锚体重力式锚, 其基坑工程采用圆形地下连续墙加内衬的 支护结构型式; 在国内首次采用“无粘结可更换”预应力锚固系统。 本文概述了锚碇的总体构造、基坑工程、锚体及 锚固系统的结构设计及技术特点。关键词: 武汉阳逻长江大桥; 锚碇; 基坑工程; 地下连续墙; 锚固系统; 设计武汉阳逻长江大桥是京珠、沪蓉国道主干线武汉绕城公路东北段的跨江工程, 是国家“十五”重点 建设项目。 大桥采用计算行车速度为 120 km h , 平 原微丘区六车道高速公路标准, 工程全长 10 km , 总 投资1916 亿元。主桥采用布跨为250 m + 1 280 m +440 m 悬索桥。北锚碇采用重力式深埋扩大基础、实 腹式锚体, 基坑采用放坡大开挖; 南锚碇采用重力式深埋圆形扩大基础、空腹框架式锚体, 基坑工程采用外径为 73 m 、壁厚 115 m 、深 6115 m 、最大挖深45 m的圆形地连墙加内衬的支护结构型式。 为从根本上 解决悬索桥生命线工程的使用寿命问题, 在国内首次采用了“无粘结可更换”的预应力锚固系统。好, 饱和单轴抗压强度在1218 2914 M P a 之间。估算水位降深4 m 时, 影响半径为154 m 。地下水埋深 上部潜水为 014 016 m , 下部承压水为 1105215 m 。 基岩裂隙水水量不均, 具有一定的承压性。上部构造条件(1) 上部结构型式: 单跨吊钢箱梁悬索桥; (2) 吊索横向间距: 35 m ;( 3) 主缆在散索点处入射角: 北锚碇为 29132,南锚碇为 16110;( 4) 锚碇处主缆拉力: 北锚碇为 610 000 kN , 南 锚碇为 550 000 kN ;(5) 主缆施工方法: PW S 法;(6) 主缆断面: 每根主缆由162154 (北南) 根平 行钢丝索股组成。1121设计条件111地形地质条件北锚碇所处地区为一山丘, 锚碇坐落在山坳处。 锚址区主要为白垩至下第三系东湖群红色砂岩、砂砾岩、砾岩, 上覆第四纪土层厚度 016 411 m ; 全、 强风化带主要为粉砂岩, 天然单轴极限抗压强度116 M P a, 抗剪强度低, 裂隙发育; 弱 微风化砂岩 天然单轴极限抗压强度 1511 M P a, 饱和单轴极限抗压强度1410 M P a, 吸水率4175, 软化系数0187。水文 地质条件相对简单, 地下水水量较小。南锚碇位于长江南岸的I 级阶地, 覆盖层为厚5014 5116 m 的第四纪冲积层下伏砾岩、砂岩。 强 风化砾岩岩性破碎, 强度较低; 弱风化砾岩完整性较总体设计2211结构形式21111北锚碇 北锚碇以弱、微风化砂砾岩作为持力层, 基底地基容许承载力要求不小于 018 M P a。 为增加锚碇的 抗滑动、抗倾覆稳定性, 减小使用阶段地基最大工作应力, 在基础底面设置 2 个台阶, 第 1 个台阶底面标高为-017 m , 第2 个台阶底面标高为913 m , 中间水平距离25 m 范围设成斜坡。锚碇总体轮廓尺寸长宽高为7015 m 54 m 4517 m 。基底设置混凝土 垫层, 厚 30 cm 。收稿日期: 2004- 06- 16 40 公路2004 年 第 12 期锚体由锚块、散索鞍支墩、支墩基础、后浇段、前锚室、后锚室等部分组成。对大体积混凝土结构要求 进行分层浇筑, 每层混凝土内设置冷却水管。大体积 混凝土设计龄期为 60 d。 采用前锚式预应力钢绞线 锚固系统, 主缆索股散索长度为 23 m , 锚固长度20 m , 散索点理论高程 421000 m , 折射角 48。21112南锚碇 南锚碇的深埋扩大基础以卵石、圆砾层作为基底持力层。基础直径为73 m 、深42 m , 采用圆形地连 墙加内衬的支护结构型式形成基坑。 在基坑内浇筑钢筋混凝土底板, 回填填芯混凝土, 最后浇筑顶板形成基础。锚体尾部设置16 根直径为112 m 的钻孔灌 注桩及 115 m 厚的承台, 以支撑锚块尾部混凝土自 重。锚体总体轮廓尺寸长宽高为7014 m 54 m2615 m 。锚体为空腹框架式, 由锚块、散索鞍支墩、鞍部、 后浇段、前锚室、后锚室等部分组成。 基础顶板实际 也是锚体的一部分, 两者相互融为一体。对大体积混凝土结构要求进行分层浇筑, 每层混凝土内设置冷 却水管。采用前锚式预应力钢绞线锚固系统, 主缆索股散索长度为 23 m , 锚固长度 19 m , 散索点理论高 程 451500 m , 折射角 35。为满足桥梁运营期间检修需要, 两个锚碇锚体内外均设置了由检修楼梯、平台、检查门、通道构成 的通道系统及检修照明、空气除湿系统。212 总体布置北、南锚碇总体构造见图 1、图 2 所示。213 主要材料及用量混凝土: 锚体除散索鞍支墩顶部采用C 40 混凝土 外, 其余部位均采用C 30 混凝土; 南锚地连墙采用C 35水下混凝土, 帽梁及内衬采用C 30 混凝土, 内衬层间接缝处采用C 30 自密实混凝土, 导墙采用C 25 混凝土, 底 板采用C 30 号微膨胀混凝土, 顶板采用C 30 混凝土, 垫 层采用C 20 混凝土, 填芯采用C 15 混凝土。预应力材料: 锚固系统梁预应力钢绞线直径为15124 mm , 标准强度为 1 860 M P a。钢筋: 除地连墙竖向主筋采用 级钢筋外, 其余 采用I 、 级钢筋。 在锚体外露表面设置了 210, 整体抗倾覆稳定安全系数K c 210, 成 桥后散索鞍散索转点水平位移不大于20 cm 。215 结构计算采用常规方法和平面有限元法对锚体各部和锚 固系统各部的内力、截面强度、变形及裂缝宽度和稳定性进行了计算分析, 对锚碇整体、散索鞍支墩顶部受压区和锚固系统联接器还用三维有限元法进行了 应力分析。南锚碇基坑支护结构采用平面有限元杆系程序和基坑专用软件PA RO I2 进行了受力分析, 用an sy s软件对内衬进行了受力分析。3 北锚碇基坑工程设计基坑边坡最小坡度为 10175, 最大坡度为 1013, 基坑底面设计高程为- 110 m ( 后部) 910 m(前部) , 前、后部之间设置1215 的倒坡。基坑底轮 廓尺寸长 65 m 、宽 60 m , 基底底表面积 4 016 m 2 , 边坡 面积 17 357 m 2; 基坑开挖占地面积14 435 m 2 , 基坑总开挖土石方约 300 000 m 3。 基坑开挖施工全过 程应达到干作业要求。边坡采用全面防护与重点防护相结合, 边开挖 边防护, 同时全面布点监控, 适时补偿。 加强降水和 排水以保证基坑干开挖。 由于坑顶建筑物和倾向坑 侧软弱结构面的存在, 对基坑后侧、右侧和左侧边坡 采用预应力锚索进行加固。 锚索采用规格为 15- 4的岩锚, 长 20 m , 水平间距 5 m , 与水平线夹角 35。 在基坑顶设置截水沟和挡水墙, 截水沟沟底坡度不小于014% 。边坡设置了排水管, 以利于边坡喷 射混凝土护面后坡体地下水的排除。 基坑底四周设 置汇水沟和集水井。钢 材: 锚固系统拉杆采用 40 C rN iM oA钢, 螺母、垫圈采用 40 C r 钢, 联接器采用 45 号钢, 预应力管道采用 20 号无缝钢管。数 量: 北锚碇混凝土数量为 87 440 m 3 , 钢筋4南锚碇基坑工程设计411支护结构设计 支护结构采用圆形地连墙加内衬的形式。 地连 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2004 年 第 12 期刘明虎等: 武汉阳逻长江大桥锚碇设计 41 墙 嵌 入 弱 风 化 砾 岩 1 215 m , 至 标 高 -33应力分布的均匀性, 在基础前半部设置 26 个空隔仓。 支护结构总体布置见图 3 所示。41111地连墙槽段划分、墙段连接形式及嵌岩深度 地连墙施工槽段分I 期、 期两种, 每种槽段各25 个。I 期槽段采用三铣成槽, 边孔轴线处长218 m ,中间孔轴线处长1108 m , 槽段轴线处长6168 m 。I 期 槽段由3 个槽段组成, 相邻槽段交角为17619; 期槽段长218 m 。两种槽段之间交角为17519。 期与I 期 槽段在地连墙轴线处搭接长度为0125 m 。- 40 m , 地连墙总深度为 5415 6115 m 。 地连墙施工完成后, 采用逆筑法施工, 分层开挖土体, 分层施 工内衬。内衬及土体分层厚度为3 m 。采用岛式开挖法进行土体开挖, 一层沿圆周分区进行对称开挖及内衬施工。 开挖至卵石 (圆砾) 层表面标高- 2013- 24 m 后, 浇筑 013 4 m 厚的垫层混凝土, 然后浇 筑 6 m 厚的钢筋混凝土底板。 填芯混凝土施工完成 后浇筑 8 10 m 厚的钢筋混凝土顶板。 为改善基底单位: cm图 1 北锚碇总体构造 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 42 公路2004 年第 12 期单位: cm图 2 南锚碇总体构造 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.2004 年第 12 期刘明虎等: 武汉阳逻长江大桥锚碇设计 43 单位: cm图 3 南锚碇支护结构总体布置本地连墙具有墙体深、厚度大、需嵌岩等技术特点, 为确保地连墙的施工质量和施工进度, 本工程采用2 台H F 12000 液压铣槽机成槽。 通过对5 种接头方法进行综合经济技术比较, 确定采用铣接法连接方式。 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 44 公路2004 年 第 12 期地连墙嵌岩深度按如下 4 个原则确定:(1) 当强风化岩层厚度大于 5 m 时, 地连墙入弱 风化岩 1 m ;侧。综合考虑地连墙结构受力, 减少施工周期和开挖段土体蠕变对地连墙的影响, 内衬施工层高取3 m , 厚 度115 215 m 。各层内衬底面设成15的斜坡, 上、下 层内衬结合面采用自密实混凝土。为保证内衬与地连墙间的连接质量及共同受力, 在地连墙内设置水平钢 筋并预埋直螺纹钢筋连接器, 与内衬钢筋相连。各层 内衬之间部分竖向钢筋采用钢筋连接器连接。412 封、降、排水系统设计本基坑工程规模庞大, 可借鉴经验少, 加上其独 特的水文、地质条件, 其防、排水系统成为基坑开挖 施工成败的关键环节; 同时, 由于锚址地处长江I 级( 2) 当强风化岩厚度为 0 5 m风化岩 115 m ;时, 地连墙入弱(3) 当无强风化岩时, 入弱风化岩 215 m ;(4) 地连墙开挖建基面以下入土深度不小于10 m 。41112导墙、帽梁及内衬导 墙 及 平 台 顶 面 标 高 为 2210 m , 高 出 地 面015 m 。导墙由 2 个L 形钢筋混凝土墙组成, 墙间距 离为116 m , 墙高116 m , 墙宽117 m , 墙厚015 m 。在地连墙两侧, 采用深层搅拌加固淤泥质粘土, 加固深度平均为15 m , 宽约32 cm , 净距为116 m 。导墙的纵 向分段与地连墙的分段接头错开。地连墙顶面设置帽梁, 为钢筋混凝土环形结构,地连墙顶部伸进帽梁 10 cm , 帽梁悬出地连墙内侧115 m , 外侧 1 m , 帽梁总宽度 4 m , 高 215 m 。 内衬作为地连墙的弹性支撑设置在地连墙内阶地, 前缘以北约 150 m即为长江防洪大堤, 其防、排水系统作用十分重要。为此, 对基坑工程采取墙下灌浆帷幕, 坑外自凝灰浆挡水帷幕, 坑内管井降水、 砂砾渗井等多项措施, 以及墙段接缝间高压旋喷注 浆处理, 坑外管井降水、坑底灌浆封底等防洪风险控 制措施及施工预案, 以确保基坑施工和大堤防洪安 全万无一失。基坑封、降、排水系统总体布置见图4, 主要分项工程见表 1。表 1 主要分项工程施施工预案5 锚固系统设计采用预应力钢绞线锚固系统。 根据国内已建悬 索桥锚碇的设计施工经验, 预应力锚固系统通常采 用管道内灌注水泥浆的防腐方式, 成为不可更换的永久结构, 而管道压浆施工质量又难以保证, 因此严 重影响了预应力钢绞线的防腐耐久性。 为了确保锚 固系统乃至整个桥梁的安全与耐久性, 进行了“无粘 结可更换”预应力锚固系统的研发和应用。511 布置及构造两锚碇锚固系统在水平、竖向两个面内均呈辐 射形布置。 拉杆方向与其对应的索股方向一致, 前、 后锚面均为与中心索股垂直的平面, 预应力钢束沿索股发散方向布置。 拉杆方向误差用球面垫圈和内球面垫圈予以调整。 锚固系统由索股锚固连接构造和预应力钢束锚固构造组成。索股锚固连接构造由拉杆及其组件、联 结器组成; 预应力钢束锚固构造由管道、预应力钢绞 线及锚具、防腐油脂、锚头防护帽等组成。 拉杆上端 与索股锚头上的锚板相连接, 另一端与被预应力钢 束锚固于前锚面的连结器相连接。索股锚固连接构造分单索股和双索股锚固单元 两种类型, 分别采用15- 16 和15- 31 规格的预应力 钢束锚固。 钢绞线在管道内要求不纽绞, 锚头张拉 端不封锚并留有换束工作长度, 管道内充填防腐油 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 分 类编 号项 目布 置 位 置功 能备 注封 水墙底灌浆帷幕地连墙底墙底基岩内裂隙封水墙间接缝外高喷桩地连墙墙段接缝处外侧地连墙铣接头可能存在的缝隙封水施工预案外围自凝灰浆挡水帷幕地连墙外侧10 m , 与地连墙为同 心圆截断两侧覆盖层水联系, 确保基坑施工过程 中坑内水位不随帷幕外水位变化防洪风险控制措施基坑封底灌浆基坑底强风化层未按时完成基坑施工情况下汛期施工的基 底水平隔水层防洪风险控制措降 排 水砂井基坑内软土( 粘性土) 层内排出坑内积水及软土中孔隙水, 加快软土固结坑内降水管井坑内降低坑内地下水位, 保持坑内干作业条件兼有排水减压作用坑外降水管井地连墙与外围帷幕之间降低坑外水位, 减小支护结构水压力施工预案2004 年第 12 期刘明虎等: 武汉阳逻长江大桥锚碇设计 45 单位: cm图 4 基坑封水、降水、排水系统总体布置脂, 因此钢绞线为无粘结式, 并可更换。 在部分锚固单元的锚固连接部位设置压力传感器, 运营期间可 随时监测索股受力情况。锚固系统锚固单元构造见图 5。512构件设计51211拉杆组装件 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 46 公路2004 年第 12 期图 5 锚固系统锚固单元构造拉杆材料采用 40 C rN iM oA , 长为 311 m , 直径为85 mm 。螺母、垫圈材料采用 40 C r。 拉杆、螺母的螺纹均采用军用M J 螺纹标准,相对于普通螺纹, 其特点是: 牙底较浅, 牙底过渡圆角大, 牙高降低, 拉杆、螺母、球面螺母的螺纹疲劳强 度可提高20% 40% ; 两端采用球面垫圈, 可自动调整螺母与垫圈的承力面, 保持其有效接触面积, 同时能克服因制作、安装误差引起的拉杆角度偏差, 避免 因偏载引起拉杆受弯, 减少局部应力集中, 有效提高 螺纹的使用寿命。索股锚头处的拉杆设计有加长螺纹, 以调节主缆索股的制作、安装误差, 最大调节量为900 mm 。为防 止螺母在动载下的松动, 设计时加设了锁紧螺母。51212 连接器连接器采用 45 号优质碳素结构钢 (锻造)。 连结器包括连接平板和连接筒。 将连结器设计成分离构造, 受力明确并方便制作、运输和安装。 连接平板的设计除须满足本身的强度和刚度要求外, 还须满足拉杆、锚头构造的要求。连接平板既是锚头 下的垫板又起连接拉杆作用, 其受力比较复杂, 设计 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 公路 2004 年12 月 第12 期H IGHW A Y D ec12004 N o 112文章编号: 0451- 0712 (2004) 12-0047- 06中图分类号: U 448. 255文献标识码: B钢筋混凝土自锚式悬索桥施工陈长明1 , 樊铁石2 , 石占良1( 11 中铁大桥局集团第二工程有限公司 南京市 210015; 21 抚顺市公路管理处 抚顺市 150015)摘 要:抚顺万新大桥为主跨 160 m 的自锚式钢筋混凝土悬索桥, 主梁采用单箱 5 室钢筋混凝土箱梁, 主缆每根索股首尾相连形成环绕闭合结构。介绍了主梁滑动模架施工、鞍座安装、环绕闭合钢丝绳主缆无猫道施工、索股下料误差的解决、体系的转换施工等, 同时还介绍了该桥采用的新技术及对新技术的分析。关键词: 万新大桥; 自锚式悬索桥; 主梁施工; 鞍座安装; 主缆施工; 体系转换1工程概述抚顺万新大桥主桥为双索面自锚式钢筋混凝土 悬索桥, 主跨 160 m , 边跨 70 m , 锚固跨 15 m , 全长330 m 。全桥立面布置见图1 所示。主梁采用单箱5室钢筋混凝土箱梁, 梁体中心高为 215 m , 设双向115% 横坡, 纵向设半径R = 7 000 m 凸形竖曲线。主 缆由85 根54 mm 镀锌钢丝绳组成, 钢丝标准强度为1 960 M P a, 主缆直径 546 mm , 主缆中心距 2615 m ,中跨矢跨比为16。塔顶设可滑动索鞍, 每个锚固跨主梁内设 2 个滑动索鞍和 1 个固定索鞍, 全桥共 10个索鞍。 单根钢丝绳索股绕过全桥 10 个索鞍后, 在 锚固跨梁内通过螺纹连接杆与连接套筒首尾相连形 成环绕闭合索股, 每根索股仅 1 个接头, 全桥分 4 个接头区 (8 个主要接头断面) 对接主缆索股。 主梁每5 m 设一道横梁, 横梁两端设索导管, 吊杆采用 121 7 mm 镀锌高强平行钢丝, 强度为 1 670 M P a, 吊杆 穿过索导管, 用螺母锚于横梁下。主缆平面及放索平面布置见图 2 所示。收稿日期: 2004- 07- 26时除按常规法进行锚头下及内球面垫圈下压应力和剪应力及各主要截面的弯曲、剪切应力的验算外, 还 采用了三维有限元法进行应力、变形校核计算。51213预应力锚固组装件预应力锚固组装件由钢绞线、锚具、预埋钢管和 防护帽组成。锚具由锚头、夹片、锚下垫板、螺旋筋及密封圈等组成。 为方便施工, 采取前锚面一端张拉,分析, 确定锚下垫板、螺旋筋的构造及尺寸。 由于为无粘结式, 为保证安全, 锚头夹片后设置防松装置。513锚固系统的防腐 在锚室内设抽湿设备使锚室内相对湿度不大于40% 。钢绞线采用表面喷涂环氧树脂防腐保护层及预 应力管道内灌注防腐油脂的双重防腐体系, 在前锚面设置有油脂面观测管, 桥梁运营期间根据油面观测结果决定是否实施补充灌注。张拉控制应力为017 R b。张拉完毕后, 从后锚面向前y锚面方向压注防腐油脂。在后、前防护帽端部设有注油孔和出油孔。锚具静载锚固效率系数 A 95% , 破断时总应 变 u 2% ; 动载性能通过应力上限为 0165 b , 应力 幅为 130 M P a, 循环次数均为 200 万次的疲劳试验。 预应力管道内径为 158 mm 和 209 mm , 管道及 锚头孔眼设计应保证钢绞线不弯曲、不扭绞。锚头设 有过油孔。 锚下垫板及螺旋筋的设计应满足锚下混 凝土为 30 号的受力要求, 通过三维有限元锚下应力参考文献:刘明虎 1 悬索桥重力式锚碇设计的基本思路J 1 公路, 1999, (7) 1刘明虎 1 桥梁深大基坑工程方案设计A 1 第五届交 通青年学术会议论文集C , 2003 1周山水, 刘明虎, 等 1 厦门海沧大桥锚碇设计A 11999 年桥梁及结构工程学会论文集C 1 润扬长江大桥南汊桥锚碇投标方案及施工图设计文件11234 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.