CN113123233B - 一种锚碇设计及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锚碇设计及施工方法，利用桥梁原有永久结构桩基进行设计，通过在桥梁两侧锚碇位置增设桩基，然后在新增结构桩基与永久结构桩基顶部浇筑混凝土承台，桩基嵌入承台之中，并通过系梁将前后两个承台相连，主缆使用临时拉锁通过预埋导管穿过锚碇并锚固于后锚面，锚碇用来抵抗主缆的拉力。本发明采用永临结合群桩基础与承台的方式设置锚碇，代替常规的重力式锚碇，受力明确，施工方便、造价低廉，能够推动桥梁事业发展。

Description

一种锚碇设计及施工方法
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种锚碇设计及施工方法。
背景技术
悬索桥锚碇常用的有隧道式锚碇和重力式锚碇，当桥头的岸边有坚固的岩层时，主缆可通过隧道式锚碇或岩锚的方式锚固在岩石中；如果岸边没有合适的锚固岩层，则可采用重力式锚碇，重力式锚碇基础一般采用沉井或沉箱式、地下连续墙、浅埋扩大式等方式。
与前述基础相比，桩基是锚碇基础很少采用的形式，这主要是因为桩基结构相对较轻，而作用机理比较复杂，设计者对其在运营期间能否有效控制位移并无很大把握。目前，锚碇桩基的应用在国内尚无先例，不过在国外则有成功的应用，如1997年建于美国洛杉矶的文森特桥(Vincent Thomas Bridg欧2007年在加利福利亚建成的新卡圭尼兹大桥(NewCarquinez Bridge)。
新卡圭尼兹大桥位于旧金山海湾，其跨度为147m+728m+181m，相应的地层为：上部为厚度15～24m的软土、松砂，下部为基岩。此外，地下水位高，地震时砂土可能会发生液化。该桥的南锚碇采用了桩基形式，如图1和图2所示。所采用的桩为直径760mm的现场灌注钢管管桩(Cast-in-Situ-Steel Pipe Pile)共计380根，桩距为2.63倍桩径，为抵抗缆索的拉力，其中有占总数55％的桩为斜桩，斜率达1:3。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种锚碇设计及施工方法，采用永临结合群桩基础与承台的方式设置锚碇，代替常规的重力式锚碇，受力明确，施工方便、造价低廉，能够推动桥梁事业发展。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种锚碇设计及施工方法，利用桥梁原有永久结构桩基进行设计，通过在桥梁两侧锚碇位置增设桩基，然后在新增结构桩基与永久结构桩基顶部浇筑混凝土承台，桩基嵌入承台之中，并通过系梁将前后两个承台相连，主缆使用临时拉锁通过预埋导管穿过锚碇并锚固于后锚面，锚碇用来抵抗主缆的拉力。
优选的是，具体施工步骤包括：
步骤一：平整场地，施沉钢护筒，架设钻机，采用冲击钻、旋挖钻、回旋钻至少一种施工工艺，施工桥梁两侧新增结构锚碇桩基；
步骤二：施沉钢板桩围堰，绑扎钢筋，安装模板，安装预埋导管，浇筑系梁和承台混凝土，完成锚碇施工。
优选的是，全桥共设计4个锚碇，东岸和西岸在左右幅各设置一个，锚碇设置在桥梁投影范围内。
优选的是，新增结构桩基与永久结构桩基直径及桩长一致。
优选的是，锚碇总体受力计算如下：
一、土体侧向约束计算；
1)根据锚碇处地质情况，进行土体的水平抗力系数的比例系数m值的选取，第一种，对于一般土体，按《港口工程桩基规范》进行计算，并参考规范推荐值，m值按下式进行计算：
Figure BDA0002959929210000021
其中，vb为钢桩顶水平位移量，大于10mm时，取10mm；C、
Figure BDA0002959929210000022
为土体的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)，按照规范及地勘报告确定，对多层土，按不同土层分别取值；
第二种，对于岩石类土体，根据《建筑基坑支护技术规程》进行计算选取；
2)根据岩石强度，采用直线内插法计算岩石地基抗力系数，岩石地基抗力系数选取，为5000000kN/m4；
3)水平反力折减系数选取，根据规范中对于群桩基础水平地基反力折减系数的说明表进行选取，依据本申请锚碇的情况，承台桩受力方向间距为3.75m<3×1.8m＝5.4m，则其折减系数k0＝0.25；对于系梁中间两根钻孔桩由于其桩间距为11m＞6×1.8m＝10.8m，k0＝1.0；
4)桩基宽度计算，桩基直径为1.8m，计算宽度按如下公式：
d≧1.0m，b0＝kf(d+1)；d<1.0m，b0＝kf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平外力作用方向桩的宽度(m)；
b0为桩的换算宽度(m)；
kf为桩形状换算系数，圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
b0＝kf(b+1)＝0.9×(1.8+1)＝2.52m；
5)桩基水平抗力系数，对桩长范围内桩基础施加桩侧岩层弹性约束，桩侧弹性系数按下式计算：K＝mzb1Δh；
式中，m为土体的水平抗力系数随深度增长的比例系数；
z为计算点距地面深度；
b1为同b0桩的计算宽度；
Δh为计算步距，取1m；
二、计算模型，根据上述得到的具体参数，采用通用有限元midas civil 2017建立计算模型；承台混凝土采用实体单元进行模拟，钻孔桩采用杆系单元进模拟；根据上述得到的各参数，在桩底设置竖向约束，桩周按照每米深度设置一处弹性约束；荷载采用实体单元面荷载；模型共计25199个节点，20350个实体单元，420个杆系单元；
三、计算结果，施加假定的临时拉索拉力2500t，得到各钻孔桩反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移。
优选的是，计算前对荷载及边界进行假定，采用有限元程序Midas Civil建立实体模型，桩长假定为20m，临时拉锁拉力2500t；荷载及模型简化如下：1)不考虑承台钢筋作用，不考虑承台基底承载和摩阻力及桩周摩阻力，仅考虑周围土对桩水平约束；2)考虑临时拉索引起的竖向和水平荷载；3)考虑承台及桩基自重荷载。
优选的是，m值选取以《建筑基坑支护技术规程》中相关公式计算为主，并综合《港口工程桩基规范》中的参考限值；其中淤泥、粉砂、粗砂级砾砂的相关参数取值为地勘报告推荐值，其它均为规范推荐值。
优选的是，上述为实体单元计算模型，承台结构内力计算，采用杆系单元建立承台结构，桩基模拟方式与实体单元计算模型一致，计算得到桩基反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明的锚碇设计及施工方法主要适用于悬索桥施工，是一种为自锚式悬索桥进行体系转换而设置的临时锚碇结构，亦可适用于地锚式悬索桥锚碇设计及施工。
2、本发明采用永临结合群桩基础与承台的方式设置锚碇，代替常规的重力式锚碇，受力明确，施工方便、造价低廉，能够推动桥梁事业发展。
3、本发明采用永临结构相结合的方式设置锚碇，并将锚碇设置在桥梁投影范围内，土地占用面积少，有利于保护环境及土地资源。
4、本发明锚碇通过利用部分主体结构，对桩基主体结构进行加强，并加强现场监控，加大设计安全系数，保证在主梁施工过程中，对主体结构影响控制在允许范围内，顺利实现了地锚转自锚，完成了自锚式悬索桥先缆后梁施工。
5、本发明通过利用临时锚碇架设悬索桥主缆，主缆端部连接临时索与临时锚碇锚固，接着利用主缆安装主梁，最后再把主缆转换锚固到主梁的端横梁上，无需搭设支架，解决了自锚式悬索桥搭设大量支架，占用航道的问题，为后续类似项目提供了宝贵的设计及施工经验，在通航繁忙，浅覆盖地质等支架搭设困难的条件下，值得推广应用。
6、本发明利用本锚碇设计进行自锚式悬索桥“先缆后梁”施工，减少了“先梁后缆”支架搭拆造成的安全分险，施工安全性高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明背景技术中的提到的现有技术立面结构示意图；
图2为本发明背景技术中的提到的现有技术平面结构示意图；
图3为本发明单个锚碇平面布置图；
图4为本发明单个锚碇纵断面布置图；
图5为本发明单个锚碇横断面布置图；
图6为本发明具体施工步骤一结构示意图；
图7为本发明具体施工步骤二结构示意图；
图8为本发明东岸临时锚碇布置图；
图9为本发明西岸临时锚碇布置图；
图10为本发明全桥总体平面布置图；
图11为本发明《港口工程桩基规范》的m推荐值；
图12为本发明有限元模型图；
图13为本发明钻孔桩反力图(kN)；
图14为本发明钻孔桩弯矩图(kN.m)；
图15为本发明钻孔桩剪力图(kN)；
图16为本发明竖向位移图(mm)；
图17为本发明水平位移图(mm)；
图18为本发明采用杆系单元建立承台结构的计算模型；
图19为本发明采用杆系单元建立承台结构的计算模型的钻孔桩反力图(kN)；
图20为本发明采用杆系单元建立承台结构的计算模型的水平位移图(mm)；
图21为本发明锚碇处地质情况图。
附图标记说明：
1、永久结构桩基，2、新增结构桩基，3、系梁，4、承台，5、预埋导管，6、临时拉锁，7、主缆，8、锚碇。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图3至5所示，本发明提供一种锚碇设计及施工方法，利用桥梁原有永久结构桩基1进行设计，通过在桥梁两侧锚碇8位置增设桩基，然后在新增结构桩基2与永久结构桩基1顶部浇筑混凝土承台4，桩基嵌入承台4之中，并通过系梁3将前后两个承台4相连，主缆7使用临时拉锁6通过预埋导管5穿过锚碇8并锚固于后锚面，锚碇8用来抵抗主缆7的拉力。
本发明受通航条件等因素制约，采用“先缆后梁”的方式施工工艺，创造性的提出采用“永临结合”的形式设计锚碇8，且与背景技术中桩基础锚碇8相比，设计桩基较少，且桩基均为直桩，未设计斜桩，锚碇8结构尺寸较小，通过有限元模型分析计算，桩基水平位移、竖向位移均能满足结构受力要求，锚碇8基础能够承受主缆7拉力。桩基与引桥永久结构桩基1直径、桩长一致，锚碇8基础的尺寸通常很大，除承受竖向力外，还要承受很大的水平力及弯矩。
如图6和图7所示，具体施工步骤包括：
步骤一：平整场地，施沉钢护筒，架设钻机，采用冲击钻、旋挖钻、回旋钻至少一种施工工艺，施工桥梁两侧新增结构锚碇8桩基；
步骤二：施沉钢板桩围堰，绑扎钢筋，安装模板，安装预埋导管5，浇筑系梁3和承台4混凝土，完成锚碇8施工。
具体实施例如下：
如图8至10所示，本发明项目采用“临时锚碇法”进行主桥上部结构“先缆后梁”施工，临时锚碇8利用引桥原有永久结构桩基1及承台4进行设计，全桥共设置4个，东岸沙田镇位于引桥20#～21#墩，左右幅各设置1个；西岸泥洲岛位于引桥28#～29#墩，左右幅各设置1个，临时锚碇8布置如图8和图9所示。
全桥共设计4个锚碇8，单个锚碇8设置20根Φ1.8m钻孔灌注桩，桩长为23.9m和29.1m，桩基混凝土采用C35海工混凝土，采用冲击钻钻进成孔方式施工。并且桩基利用钢护筒作为防腐屏障，并参与结构受力，主要抵抗主缆7对桩顶水平位移，单根护筒长度12m，锚碇8全桥总体平面布置如图10所示。
临时锚碇8为本项目先缆后梁方案中，受力最为关键的一个结构，其主要提供主跨合龙前主缆7反拉力。通过对合理成桥状态研究，根据总体计算报告中的计算结果，临时拉索最大轴力为2373t，计算取值2500t。
本发明主要对锚碇8的总体受力进行计算，不对锚碇8的混凝土结构及局部受力进行验算。
综合考虑临时锚碇8结构和引桥基础，临时锚碇8设计时利用引桥原有20#、21#、28#、29#墩。桩基直径为1.8m。承台4底标高为-2.6m。为了提高临时锚碇8的受力安全，锚固区承台4厚度为4.5m，其它部位均为3.0m。其布置如图8至图10所示。
锚碇总体受力计算如下：
一、土体侧向约束计算；
1)根据锚碇处地质情况，如图21所示，进行土体的水平抗力系数的比例系数m值的选取，第一种，对于一般土体，按《港口工程桩基规范》进行计算，并参考规范推荐值，m值按下式进行计算：
Figure BDA0002959929210000071
其中，vb为钢桩顶水平位移量，大于10mm时，取10mm；C、
Figure BDA0002959929210000073
为土体的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)，按照规范及地勘报告确定，对多层土，按不同土层分别取值；
对于一般土体，各土层土体参数及对应的m值计算(部分参照规范中推荐值)如下表：
Figure BDA0002959929210000072
其中，vb为钢桩顶水平位移量，通过上述参数计算得到，h为土层厚度，m0为不同土层水平地基抗力系数的比例系数；
按《港口工程桩基规范(JTS 167-4-2012)》附录D的m的推荐值。规范中对于各土层m值推荐如图11所示。
第二种，对于岩石类土体，根据《建筑基坑支护技术规程》进行计算选取。
m值选取以《建筑基坑支护技术规程》中相关公式计算为主，并综合《港口工程桩基规范》中的参考限值；其中淤泥、粉砂、粗砂级砾砂的相关参数取值为地勘报告推荐值，其它均为规范推荐值。
2)根据岩石强度，采用直线内插法计算岩石地基抗力系数，岩石地基抗力系数选取，为5000000kN/m4。
3)水平反力折减系数选取，根据规范中对于群桩基础水平地基反力折减系数的说明表进行选取，依据本申请锚碇的情况，承台桩受力方向间距为3.75m<3×1.8m＝5.4m，则其折减系数k0＝0.25；对于系梁中间两根钻孔桩由于其桩间距为11m＞6×1.8m＝10.8m，k0＝1.0；采用m法对m进行折减，k0的取值为0.25和1.0。
4)桩基宽度计算，桩基直径设定为1.8m，计算宽度按如下公式：
d≧1.0m，b0＝kf(d+1)；d<1.0m，b0＝kf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平外力作用方向桩的宽度(m)；
b0为桩的换算宽度(m)；
kf为桩形状换算系数，圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
b0＝kf(b+1)＝0.9×(1.8+1)＝2.52m。
5)桩基水平抗力系数，对桩长范围内桩基础施加桩侧岩层弹性约束，桩侧弹性系数按下式计算：K＝mzb1Δh；
式中，m为土体的水平抗力系数随深度增长的比例系数；
z为计算点距地面深度；
b1同b0，为桩的计算宽度；
Δh为计算步距，取1m；
桩侧岩层弹性系数计算结果如下表：(m取土体参数计算值)
Figure BDA0002959929210000081
注：
1)承台4底在地面以下2.0m。
2)承台4(横梁)范围内桩基折减系数k0＝0.25；系梁3范围内桩基折减系数k0＝1.0。
二、计算模型，根据上述得到的具体参数，采用通用有限元midas civil 2017建立计算模型，如图12所示；承台混凝土采用实体单元进行模拟，钻孔桩采用杆系单元进模拟；根据上述得到的各参数，在桩底设置竖向约束，桩周按照每米深度设置一处弹性约束；荷载采用实体单元面荷载；模型共计25199个节点，20350个实体单元，420个杆系单元。
计算前对荷载及边界进行假定，采用有限元程序Midas Civil建立实体模型，桩长假定为20m，临时拉锁拉力2500t；荷载及模型简化如下：1)不考虑承台钢筋作用，不考虑承台基底承载和摩阻力及桩周摩阻力，仅考虑周围土对桩水平约束；2)考虑临时拉索引起的竖向和水平荷载；3)考虑承台及桩基自重荷载。
三、计算结果，施加假定的临时拉索拉力2500t，得到各钻孔桩反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移，如图13至17所示，钻孔桩最大反力为4003.5kN。所有桩基均未出现拉力。最大弯矩2928kN.m。最大剪力4960.1kN。最大竖向位移1mm，桩顶最大水平位移11mm。
上述为实体单元计算模型，承台结构内力计算，采用杆系单元建立承台结构，桩基模拟方式与实体单元计算模型一致，计算得到桩基反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移。
承台结构内力计算如下：
采用杆系单元建立承台结构，桩基模拟方式与实体单元计算模型一致。图3中左侧后后横梁(承台)，右侧为前横梁(承台)，中间为系梁。计算模型如图18所示，
计算结果，如图19至20所示，桩基最大反力为4586kN。比上述实体单元计算结果增加约15％。根据计算模型，前横梁内力标准值计算如下：最大扭矩7107kN.m，最大竖向弯矩9631kN.m，最大水平向弯矩64861kN.m，最大剪力12000kN。
后横梁内力标准值计算如下：最大竖向弯矩1773kN.m，最大水平向弯矩3358kN.m。
系梁内力标准值计算如下：最大轴力8309kN.m，最大竖向弯矩10321kN.m，最大水平向弯矩1772kN.m，最大剪力3403kN。
实体模型和杆系模型本质上是一致的；实体模型可以反应局部受力状态更贴合实际，但无法体现整体结构内力；杆系模型精度相对较低，但可以提供整体结构内力，方便承台钢筋配置受力计算。两种模型是基于不同需求建立，并能在一定程度上对比校核。
1)根据上述的对比的计算结果可知，临时锚碇的总体受力满足施工要求。
2)实体模型和杆系单元模型在桩基反力值偏差约15％，且实体单元模型计算结果较小。由于实体单元计算模型可以较好的模拟桩与承台之间的相互作用，所以其准确性更高。
3)桩基设计荷载建议参考实体单元模型计算结果。
4)临时锚碇承台设计荷载可参考杆系单元相关计算结果；且宜按深受弯结构进行设计计算；
5)注意临时锚碇局部受力钢筋配置。
6)在承台施工期间，注意预留临时拉索张拉作业空间。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种锚碇设计及施工方法，其特征在于，利用桥梁原有永久结构桩基进行设计，通过在桥梁两侧锚碇位置增设桩基，然后在新增结构桩基与永久结构桩基顶部浇筑混凝土承台，桩基嵌入承台之中，并通过系梁将前后两个承台相连，新增结构桩基、永久结构桩基以及承台和系梁共同构成了锚碇结构，主缆使用临时拉锁通过预埋导管穿过锚碇的承台中并锚固于后锚面，锚碇用来抵抗主缆的拉力；
具体施工步骤包括：
步骤一：平整场地，施沉钢护筒，架设钻机，采用冲击钻、旋挖钻、回旋钻至少一种施工工艺，施工桥梁两侧新增结构锚碇桩基；新增结构桩基与永久结构桩基直径及桩长一致；
步骤二：施沉钢板桩围堰，绑扎钢筋，安装模板，在锚碇对应的承台位置安装预埋导管，浇筑系梁和承台混凝土，完成锚碇施工；
锚碇总体受力计算如下：
一、土体侧向约束计算；
1)根据锚碇处地质情况，进行土体的水平抗力系数的比例系数m值的选取，第一种，对于一般土体，按《港口工程桩基规范》进行计算，并参考规范推荐值，m值按下式进行计算：
Figure FDA0003878125620000011
其中，vb为钢桩顶水平位移量，大于10mm时，取10mm；C、
Figure FDA0003878125620000012
为土体的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)，按照规范及地勘报告确定，对多层土，按不同土层分别取值；
第二种，对于岩石类土体，根据《建筑基坑支护技术规程》进行计算选取；
2)根据岩石强度，采用直线内插法计算岩石地基抗力系数，岩石地基抗力系数选取，为5000000kN/m4；
3)水平反力折减系数选取，根据规范中对于群桩基础水平地基反力折减系数的说明表进行选取，依据本申请锚碇的情况，承台桩受力方向间距为3.75m<3×1.8m＝5.4m，则其折减系数k0＝0.25；对于系梁中间两根钻孔桩由于其桩间距为11m＞6×1.8m＝10.8m，k0＝1.0；
4)桩基宽度计算，桩基直径为1.8m，计算宽度按如下公式：
d≧1.0m，b0＝kf(d+1)；d<1.0m，b0＝kf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平外力作用方向桩的宽度(m)；
b0为桩的换算宽度(m)；
kf为桩形状换算系数，圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
b0＝kf(b+1)＝0.9×(1.8+1)＝2.52m；
5)桩基水平抗力系数，对桩长范围内桩基础施加桩侧岩层弹性约束，桩侧弹性系数按下式计算：K＝mzb1Δh；
式中，m为土体的水平抗力系数随深度增长的比例系数；
z为计算点距地面深度；
b1为同b0桩的计算宽度；
Δh为计算步距，取1m；
二、计算模型，根据上述得到的具体参数，采用通用有限元midas civil 2017建立计算模型；承台混凝土采用实体单元进行模拟，钻孔桩采用杆系单元进模拟；根据上述得到的各参数，在桩底设置竖向约束，桩周按照每米深度设置一处弹性约束；荷载采用实体单元面荷载；模型共计25199个节点，20350个实体单元，420个杆系单元；
三、计算结果，施加假定的临时拉索拉力2500t，得到各钻孔桩反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移；
计算前对荷载及边界进行假定，采用有限元程序Midas Civil建立实体模型，桩长假定为20m，临时拉锁拉力2500t；荷载及模型简化如下：1)不考虑承台钢筋作用，不考虑承台基底承载和摩阻力及桩周摩阻力，仅考虑周围土对桩水平约束；2)考虑临时拉索引起的竖向和水平荷载；3)考虑承台及桩基自重荷载。
2.如权利要求1所述的锚碇设计及施工方法，其特征在于，全桥共设计4个锚碇，东岸和西岸在左右幅各设置一个，锚碇设置在桥梁投影范围内。
3.如权利要求1所述的锚碇设计及施工方法，其特征在于，m值选取以《建筑基坑支护技术规程》中相关公式计算为主，并综合《港口工程桩基规范》中的参考限值；其中淤泥、粉砂、粗砂级砾砂的相关参数取值为地勘报告推荐值，其它均为规范推荐值。
4.如权利要求1所述的锚碇设计及施工方法，其特征在于，上述为实体单元计算模型，承台结构内力计算，采用杆系单元建立承台结构，桩基模拟方式与实体单元计算模型一致，计算得到桩基反力、弯矩、剪力、竖向位移和桩顶水平位移。
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