體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：在采用預(yù)制階段施工方法進(jìn)行橋梁建設(shè)時(shí)，通常要用到臨時(shí)預(yù)應(yīng)力體系來進(jìn)行拼裝。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力體系通常采用鋼絞線或粗鋼筋兩種材料，而其中最關(guān)鍵的問題是預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固方法。本文主要對(duì)錨固區(qū)域的傳力途徑以及邊界非線性進(jìn)行分析，并有針對(duì)性提出鋼錨靴的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力；粗鋼筋；鋼錨靴；傳力途徑；邊界非線性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U441.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0231-02

前言

現(xiàn)代建筑對(duì)施工要求越來越高，日益成熟的預(yù)制節(jié)段體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。采用預(yù)制節(jié)段施工方法進(jìn)行橋梁建設(shè)時(shí)，當(dāng)然要涉及臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拼裝體系。其中，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力體系中的預(yù)應(yīng)力筋可以采用鋼絞線或粗鋼筋，其中粗鋼筋體系的錨固結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、使用便捷、錨固可靠及不劃絲等優(yōu)點(diǎn)，并且裝卸方便，可以重復(fù)使用，受到了很多國外建筑工作者的推崇。但目前國內(nèi)對(duì)此方面的研究較少，筆者根據(jù)自己多年工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料的查詢，對(duì)體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了自己的看法，希望對(duì)廣大的建筑工作者提供幫助。

1 鋼錨靴受力理論分析

一般而言，鋼錨靴受到螺紋鋼筋的預(yù)壓力及粗鋼筋預(yù)壓力等外力作用。當(dāng)其合力恰好可以通過鋼錨靴剪力齒側(cè)面而垂直傳遞到混凝土板時(shí)，可以理解為最理想的受力狀態(tài)。建設(shè)此時(shí)的力全部由鋼錨靴剪力齒的側(cè)面?zhèn)鬟f，并且應(yīng)力在接觸面上均勻分布。當(dāng)螺紋鋼筋的預(yù)應(yīng)力以及粗鋼筋預(yù)應(yīng)力平移至鋼錨靴的中點(diǎn)，并附加相應(yīng)的力偶時(shí)，為達(dá)到理想的受力狀態(tài)，需要滿足合理垂直于剪力齒側(cè)面，并且合理偶距需為零，此時(shí)將主力分解為大小相等的三個(gè)力分別作用在各剪力齒側(cè)面便能成為理想的受力狀態(tài)。

2 錨固區(qū)域的傳力路徑及邊界非線性分析

當(dāng)錨固區(qū)域受力后，混凝土板受到的作用力先是垂直于凹槽設(shè)計(jì)向受壓側(cè)傳遞，接著慢慢改變方向向水平方向傳遞，而距離鋼筋錨固段越遠(yuǎn)的凹槽，設(shè)計(jì)受力面受到的壓力就更大。粗鋼筋預(yù)應(yīng)力通過錨墊板經(jīng)由端板、螺紋鋼筋上墊板、加固塊、頂板以及側(cè)板傳至底板，最后傳到剪力齒。由此可見，預(yù)應(yīng)力一直是向剛度大的方向傳遞。另外，通過接觸實(shí)驗(yàn)分析表明，鋼錨靴與梁段的接觸狀態(tài)隨作用力的變化而變化，甚至出現(xiàn)了滑移、脫離的現(xiàn)象，表現(xiàn)出很強(qiáng)的邊界非線性。

3 體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨固區(qū)域受力復(fù)雜，邊界非線性強(qiáng)，需要對(duì)錨固鋼筋的鋼錨靴進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以確保鋼錨靴的安全合理性，滿足整個(gè)錨固區(qū)域復(fù)雜的受力要求。主要需要對(duì)鋼錨靴的長(zhǎng)度、高度以及安裝位置，剪力齒的傾角、幾何尺寸以及部署形式，螺紋鋼筋預(yù)加力的大小和分配進(jìn)行科學(xué)分析，達(dá)到對(duì)體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋鋼錨靴的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1鋼錨靴的高度

在保證粗鋼筋張拉尺寸要求的前提下，為了減少預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的力矩，將粗鋼筋的錨固高度控制的越低越好。得到最合理的錨固高度后，鋼錨靴的高度也就隨著錨固高度的確定而確定。所以，張拉尺寸的要求是影響錨固高度以及鋼錨靴高度的最重要因素。

鋼錨靴剪力齒受壓豎直投影面，在比較理想的受力情況下，混凝土凹槽受壓面的受力和平均應(yīng)力可以用公式（1）計(jì)算。

σ== （1）

在P一定的情況下，高度H和橫向長(zhǎng)S、齒個(gè)數(shù)m的乘積決定平均壓應(yīng)力，也就是由受壓豎直投影面積來決定的。

mHS≥ （2）

根據(jù)公式（2），在P一定情況下，混凝土抗壓強(qiáng)度由m、H、S來決定。

一般情況下，剪力齒高H在4cm左右，太大太小都不是很合適，剪力齒多采用小而密的形式進(jìn)行設(shè)置，這樣可以使各個(gè)剪力齒受力均衡。

3.2鋼錨靴的長(zhǎng)度

錨固區(qū)域的受力情況復(fù)雜，不僅受粗鋼筋的水平預(yù)應(yīng)力的影響，而且由于粗鋼筋存在一定的錨固高度，使得錨固區(qū)域還要受到粗鋼筋的水平預(yù)應(yīng)力的影響。鋼錨靴的長(zhǎng)度要由錨固高度和粗鋼筋水平應(yīng)力產(chǎn)生的力矩來決定。通過查閱相關(guān)資料及理論分析，可以得知鋼錨靴的最小長(zhǎng)度需滿足承受水平預(yù)應(yīng)力及其產(chǎn)生的力矩所需最小鋼錨靴長(zhǎng)度，而且要取兩者最小值的大者。一般滿足承受抵抗力矩所要求的鋼錨靴長(zhǎng)度要大一些，對(duì)鋼錨靴優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要作用。

混凝土剪力齒的抗剪強(qiáng)度也可以通過公式計(jì)算獲得，可以取近似平均值，只要錨固區(qū)混凝土能夠滿足剪應(yīng)力（3），就可以按照公式（4）估算剪力齒的最小寬度D，然后根據(jù)公式（5）估算抗剪鋼錨靴的最小長(zhǎng)度L。

τ=≤0.5（τ1+τ2） （3）

D≥ （4）

L=（m-1）D+md+2Hcotθ （5）

M1-M2=T1L1-T2L2=MP （6）

T=T1+T2=Pcotθ （7）

鋼錨靴長(zhǎng)度需要滿足承受水平預(yù)應(yīng)力，以及其受重產(chǎn)生力矩需要鋼錨靴長(zhǎng)度最小取值范圍內(nèi)的較大的數(shù)值。

3.3鋼錨靴的安裝位置

在懸臂拼裝中，根據(jù)受力特點(diǎn)，鋼錨靴應(yīng)該在靠近節(jié)段的頂端部位安裝。鋼錨靴距離梁段端點(diǎn)的合適長(zhǎng)度為10cm、30cm和50cm。因?yàn)殇撳^靴距離輛段端部越遠(yuǎn)，根據(jù)力學(xué)原理，其拉應(yīng)力就會(huì)越大也越集中。但并不是說距離和拉應(yīng)力一定成正比，如果太遠(yuǎn)也不會(huì)產(chǎn)生明顯的效果。隨著鋼錨靴安裝位置遠(yuǎn)離，主拉應(yīng)力大于2.65MPa區(qū)域的體積也會(huì)發(fā)生變化，不僅越來越大，而且其分布也會(huì)出現(xiàn)不均勻。鋼錨靴距離拉大，約束混凝土就越多，約束作用就勢(shì)必要加大，體積加大，分布不均也會(huì)帶來一些不利影響。所以，鋼錨靴應(yīng)該盡量安裝在靠近梁端部位，最好是安置在距離梁端頂部約30cm的地方。

3.4剪力齒傾角

剪力齒傾斜角度多大最為合適，這需要綜合考慮鋼錨靴和螺紋鋼筋預(yù)加力。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，剪力齒比較理想的傾斜角度約為63°左右。

剪力齒傾角確定可以用模型參數(shù)試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)三組模型進(jìn)行比較，其中T可以按照公式（7）Pcotθ計(jì)算得到相關(guān)數(shù)據(jù)。從表1、表2可以看出，隨著傾斜角度的增大，錨固區(qū)混凝土最大拉應(yīng)力和墊板下混凝土主應(yīng)力慢慢變小，而傾斜角度越大，最大主應(yīng)力加大，可最右側(cè)凹槽棱邊就越尖，應(yīng)力集中也更厲害。因此，綜合考慮各個(gè)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況，確定鋼錨靴剪力齒傾斜角度以63°為宜。

表1 剪力齒傾角有限元模型參數(shù)

表2 錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力情況

注：B凹槽底部主拉應(yīng)力大于2.65MPa的最大深度，V為錨固區(qū)域主拉應(yīng)力大于2.65MPa的體積。

3.5螺紋鋼筋預(yù)壓力

螺紋鋼筋預(yù)加力的大小與墊板下混凝土局部承壓和螺紋鋼筋自身承載力有關(guān)，一般情況下，螺紋鋼筋直徑取25mm或者32mm，那么，單個(gè)螺紋鋼筋的設(shè)計(jì)值為22-63t。所以，螺紋鋼筋總設(shè)計(jì)值要小于錨固區(qū)局部壓力設(shè)計(jì)值。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意一點(diǎn)，粗鋼筋在應(yīng)力作用下螺紋鋼筋受力會(huì)增大，而螺紋鋼筋兩端受力不均衡，有可能會(huì)一端大一端小。

結(jié)語：鋼錨靴安置合適位置，對(duì)懸臂拼裝非常重要，鋼錨靴與梁段的接觸也會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的邊界非線性。在滿足粗鋼筋張拉尺寸要求的情況下，鋼錨靴的粗鋼筋錨固位置越低越好。找到最佳剪力齒傾斜角度也非常重要，這些技術(shù)參數(shù)都反映體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼錨靴粗鋼筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳夏春，陳德偉.體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設(shè)計(jì)[A].第十九屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C]，2010年.

[2] 徐棟，項(xiàng)海帆.體外預(yù)應(yīng)力橋梁的力學(xué)性能及其影響因素[J].橋梁建設(shè)，1999年03期.

[3] 劉少兵.體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性防護(hù)問題體[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007年04期.