主缆张力作用下悬索桥桩–沉箱锚碇（PCA）位移与力学响应数值研究

《Water》：Numerical Investigation of Displacement and Mechanical Responses of the Pile–Caisson Anchorage for Suspension Bridges

　　

桩–沉箱锚碇（pile–caisson anchorage, PCA）是一种用于悬索桥的混合式锚碇基础，兼具沉箱锚碇与钢管桩（steel pipe piles）的优势。该研究考察主缆张力作用下PCA的位移与力学响应。在PLAXIS 3D中建立常规沉箱锚碇和所提出PCA的三维有限元模型以进行对比分析。详细分析PCA内桩的力学响应，包括侧向位移、轴力和弯矩。进一步开展参数研究，以探讨影响PCA性能的关键参数。结果表明，常规沉箱锚碇和PCA均严格满足规范规定的位移限值，两种锚碇体系的安全系数均达到2.5，验证了PCA的可行性。PCA内桩在位移和内力分布方面表现出显著的空间非均匀性。此外，增大沉箱高度可显著提高PCA的整体稳定性，而增大桩直径和增加桩长分别通过提高抗弯刚度和调动更深处桩侧阻力改善其结构性能。这些发现为悬索桥锚碇基础的设计和结构优化提供了有价值的见解和实践指导。

研究背景与问题：悬索桥锚碇基础用于抵抗主缆张力，可分为隧道式与重力式，其中沉箱锚碇因结构刚度和承载能力较好而广泛用于厚软土层。随着悬索桥跨度增大，主缆张力显著增加，传统沉箱锚碇需过大尺寸，导致钢材、混凝土等材料消耗和建设成本上升。已有研究将桩与重力式锚碇组合以分担主缆张力，如Wang et al.的模型试验与数值模拟、复合桩–地下连续墙锚碇在Longmen Bridge的应用，以及钢管桩与扩展基础在Vincent Thomas Bridge和New Carquinez Bridge的应用。研究人员提出桩–沉箱锚碇（pile–caisson anchorage, PCA），其与沉箱复合桩基础（caisson composite-pile foundation, CCPF）结构相似但锚碇设计与承载特性不同；前期沉箱–钻孔桩复合锚碇（caisson-bored pile composite anchorage, CBPCA）存在钻孔桩分布于沉箱壁、隔墙和沉箱孔内带来的施工性挑战。PCA将钢管桩仅布置于沉箱孔内，以提高施工性并降低沉箱高度，从而兼顾承载性能与经济性。该研究以瓯江北口大桥（Oujiang North Estuary Bridge）南锚碇为工程案例，比较常规沉箱锚碇与PCA在主缆张力下的位移响应，分析PCA内钢管桩力学响应，并开展参数研究，为锚碇基础设计与结构优化提供依据。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员在PLAXIS 3D中建立常规沉箱锚碇和PCA三维有限元模型，采用硬化土（Hardening Soil, HS）模型描述土层，嵌入梁单元模拟钢管桩，按K₀法建立初始地应力并依次激活沉箱、桩、封底混凝土、水、C20混凝土、顶板、散索鞍墩和锚碇块，施加主缆张力11个工况；开展域尺寸与网格敏感性分析，并用现场监测点D2、D3及Zhao et al.的CBPCA模型试验验证。工程案例与监测数据来源于瓯江北口大桥南锚碇，监测数据由Hu报告；模型试验验证数据来源于Zhao et al.。

主要研究结果：3.5 Numerical Results（数值结果）通过对比常规沉箱锚碇与PCA在最大主缆张力F_max下的理论散索点（theoretical splay point, TSP）位移，得出常规沉箱锚碇侧向、竖向位移分别为?42.29 mm和?62.82 mm，PCA为?63.41 mm和?80.67 mm，二者均满足80 mm和160 mm规范限值；通过逐级加载得出极限承载力分别为2.3F_max和2.1F_max，PCA桩头最大应力429.46 MPa低于Q490钢屈服强度490 MPa；通过桩身响应分析得出PCA桩在垂直–水平–弯矩（vertical-horizontal-moment, V-H-M）联合加载下位移和内力分布呈显著空间非均匀性，P11为控制桩；成本分析得出PCA净直接成本节省13.34–15.90 million RMB。4.1 Influence of Caisson Height（沉箱高度影响）通过6种H_c参数分析，得出增大H_c显著提高PCA整体稳定性并降低TSP位移和P11响应。4.2 Influence of Pile Diameter（桩径影响）通过D_p=2.5–5.0 m分析，得出增大D_p对整体位移影响边际，但提高桩抗弯刚度、吸引更大轴力和弯矩并降低桩头侧向位移及最大组合应力。4.3 Influence of Pile Length（桩长影响）通过L_p=30–45 m分析，得出增大L_p主要调动更深桩侧阻力、显著减小竖向位移，同时增大轴力并降低弯矩。4.4 Influence of Pile Wall Thickness（桩壁厚影响）通过t_p=36.35–61.35 mm分析，得出t_p对PCA位移影响可忽略，但提高抗弯刚度、增大内力并降低临界截面最大组合应力。

讨论与结论翻译：讨论表明，增大H_c可提高沉箱分担比；增大D_p提高桩身抗弯刚度；增大L_p调动深部桩侧阻力；增大t_p主要提高抗弯刚度并降低峰值组合应力。PCA虽位移略大、极限承载力较常规沉箱低0.2F_max，但成本效益更优。研究结论翻译如下：(1) 常规沉箱锚碇TSP侧向、竖向位移为42.29 mm和62.82 mm，PCA为63.41 mm和80.67 mm，均严格满足规范限值；极限承载力分别为2.3F_max和2.1F_max，结合成本效益，PCA作为新型基础具有较强潜力。(2) PCA内桩在V-H-M联合加载下位移和内力分布空间非均匀；第1–5列桩轴力随深度快速减小，第6列桩因沉箱转动向上位移而产生负摩阻；P11承受峰值轴力和弯矩，为关键设计桩。(3) 在均质卵石层中，增大H_c显著降低PCA位移和桩身力学响应、提高稳定性，但需在安全与经济间优化。(4) 增大D_p或L_p均有利于PCA稳定但机理不同：D_p提高抗弯刚度并吸引更大内力、降低桩侧向位移；L_p调动更深桩侧阻力以减小竖向位移并产生反向弯矩限制桩身侧向位移；t_p对位移影响可忽略，但可降低临界截面峰值组合应力并提高结构安全性。