預(yù)應(yīng)力錨墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬倩，朱萬旭，，蘇海霆，付委，楊寶棟

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545005）

預(yù)應(yīng)力錨墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬倩1，朱萬旭1，2，蘇海霆1，付委2，楊寶棟1

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545005）

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大對錨下混凝土結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求。根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中對于錨墊板的錨具要求，對OVM錨固體系中YM-M15E-12D進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，確立新型錨墊板M15CJ-12D的結(jié)構(gòu)形式，對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS分析，并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元對比分析，且通過荷載傳遞試驗(yàn)測試構(gòu)件的性能及檢驗(yàn)其安全性，對比分析錨下混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)應(yīng)變值跟模擬應(yīng)變值，驗(yàn)證模擬的各項(xiàng)參數(shù)符合實(shí)際工況，最終得到更為安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的錨下混凝土結(jié)構(gòu)體系。

錨墊板；錨下混凝土結(jié)構(gòu)；荷載傳遞試驗(yàn)；ANSYS；對比分析

在預(yù)應(yīng)力錨固體系中，錨下混凝土結(jié)構(gòu)所能承受的荷載將直接影響預(yù)應(yīng)力的效果［1］。研究表明∶在張拉設(shè)計(jì)噸位、錨具布置位置和錨下混凝土強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)確定情況下，錨墊板的結(jié)構(gòu)形式將會(huì)直接影響到錨下混凝土的應(yīng)力分布狀況［2］。針對南水北調(diào)中線干線工程在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)方面要求預(yù)應(yīng)力筋最大張拉力大于1500 kN時(shí)，錨墊板錨具槽下最小厚度允許值≥25 mm。為了確保預(yù)應(yīng)力錨固體系的安全及合理性，本文對OVM錨固體系中YM-M15E-12D進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析，根據(jù)錨下混凝土應(yīng)力的分布特征與荷載傳遞試驗(yàn)，驗(yàn)證錨下混凝土結(jié)構(gòu)與錨墊板的安全性，并為優(yōu)化錨具結(jié)構(gòu)和降低成本提供有限元分析與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

1.1 南水北調(diào)中線干線工程錨墊板要求

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國調(diào)水工程中已廣泛使用［3］，為確保預(yù)應(yīng)力工程的施工質(zhì)量，根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程對于錨墊板的要求，對于OVM錨固體系中YM-M15E -12D型錨墊板優(yōu)化時(shí)要考慮到以下要求［4］∶（1）錨墊板上的錨具槽應(yīng)與錨具和喇叭口同軸，偏差≤2 mm，表面光平，傾斜≤0.5°。安裝測力計(jì)的錨墊板，錨具槽應(yīng)與測力計(jì)的專用墊板相匹配。（2）錨墊板宜選用加肋錨墊板，錨具槽下的最小厚度應(yīng)符合表1中的規(guī)定，錨具槽下面的最小厚度如圖1所示。OVM錨固體系中YM-M15E-12D承受的荷載大于1500 kN，所以優(yōu)化后錨墊板錨具最小厚度允許值要滿足≥25 mm的要求。YM-M15E-12D錨墊板的構(gòu)造圖如圖2所示。

根據(jù)JT/T329-2010規(guī)范規(guī)定［5］∶錨墊板的長度應(yīng)保證鋼絞線在錨具底口處的最大折角不大于4度。錨墊板的構(gòu)造尺寸應(yīng)能滿足預(yù)應(yīng)力能可靠地從錨具傳遞到混凝土構(gòu)件中。

1.2 受力性能優(yōu)化

錨墊板結(jié)構(gòu)形式是解決局部受壓問題主要影響因素，其結(jié)構(gòu)形式的合理布置能夠解決錨下混凝土的應(yīng)力集中、開裂及變形問題［6］。錨墊板的應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于承壓底面，因此在對YM-M15E-12D錨墊板優(yōu)化時(shí)，將多臺(tái)階結(jié)構(gòu)布置到承壓底面，這樣不僅解決了應(yīng)力集中所帶來的不利因素，而且充分利用了臺(tái)階的良好傳力性能，節(jié)省了材料。合理地增大錨墊板與混凝土的承壓投影面積，有利于荷載的均勻傳遞，更有利于錨墊板與混凝土的協(xié)同工作，適用性更高。

1.3 M15CJ-12D新型錨墊板的提出

在滿足南水北調(diào)工程對于錨墊板的要求的基礎(chǔ)上，針對以上提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過對YM-M15E-12D錨墊板優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出緊湊型階梯狀錨墊板結(jié)構(gòu)形式M15CJ-12D新型錨墊板，構(gòu)造圖如圖3所示。

2 錨下混凝土結(jié)構(gòu)ANSYS分析

2.1 模型概況

為保證新舊兩種結(jié)構(gòu)模型具有可對比性，除錨墊板的結(jié)構(gòu)形式不同外，其他參數(shù)設(shè)置應(yīng)盡量保持一致。根據(jù)實(shí)際情況混凝土為C50，尺寸取480 mm×480 mm× 1000 mm，螺旋筋取Q235線徑Φ12 mm，中徑Φ214 mm，間距50 mm，共5圈。在錨墊板上施加實(shí)際工程應(yīng)用的最大荷載（鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的0.75），即260.4×12× 0.75=2343.6 kN?；谀Ｐ偷膶ΨQ性，取1/8部分建模，錨墊板和混凝土之間用接觸模擬，摩擦系數(shù)取0.65，其它間接鋼筋與混凝土作為一體計(jì)算。錨墊板模型選取solid185實(shí)體單元?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格；混凝土選取solid65實(shí)體單元?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格；螺旋筋選取pipe16管單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在對稱面施加對稱約束，遠(yuǎn)端地面施加支撐約束。材料屬性參數(shù)值見表2。整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

2.2 有限元結(jié)果分析與比較

2.2.1錨下混凝土

在后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的頂部，強(qiáng)大的預(yù)壓力通過錨墊板將力傳遞到混凝土上，錨下混凝土承受很大的局部應(yīng)力，研究表明錨墊板下部區(qū)域和混凝土試件側(cè)表面的應(yīng)力較大，其破壞形式主要是側(cè)表面拉應(yīng)力過大造成構(gòu)件開裂［7］，它可能使構(gòu)件產(chǎn)生縱向裂縫，所以，混凝土的局部抗裂和承壓的能力是需要研究的重要內(nèi)容。

經(jīng)ANSYS分析得出M15CJ-12D型和YM-M15E -12D型錨墊板的錨下混凝土主拉應(yīng)力云圖（第一主應(yīng)力），如圖5所示。由圖5可知，兩者的共同點(diǎn)為，錨下混凝土開裂的主要原因?yàn)槠鋫?cè)表面的主拉應(yīng)力較大，而最大拉應(yīng)力的位置主要出現(xiàn)在錨墊板的喇叭口末端，按混凝土的特性，其抗拉強(qiáng)度極限為混凝土抗壓強(qiáng)度極限的1/12～1/15，即5～6 MPa。對其進(jìn)行彈塑性分析時(shí)結(jié)果顯示混凝土都沒有出現(xiàn)等效塑性拉應(yīng)變，證明此時(shí)的混凝土拉應(yīng)力沒有達(dá)到拉伸屈服極限，混凝土試件顯然能夠達(dá)到抗裂性要求。因此，主要根據(jù)計(jì)算出來的側(cè)表面的拉應(yīng)力極值來判斷混凝土試件的安全性。

兩者的差別在于，M15CJ-12D型（多臺(tái)階）錨下混凝土側(cè)表面拉應(yīng)力比較小，最大處為4.574 MPa，而YM -M15E-12D型錨下混凝土雖然其拉應(yīng)力未超過抗拉強(qiáng)度極限5 MPa，但錨下混凝土側(cè)表面拉應(yīng)力較大，最大處為4.905 MPa。M15CJ-12D錨固體系的混凝土試件比YM-M15E-12D錨固體系的混凝土試件更加安全。

混凝土側(cè)表面進(jìn)行測試?yán)瓚?yīng)力的變化如圖6所示，在混凝土試塊一定的情況下，無論何種結(jié)構(gòu)形式的錨墊板，其混凝土的最大拉應(yīng)力都會(huì)出現(xiàn)在離錨墊板端部170 mm處（約在喇叭口尾端處），說明M15CJ-12D型的適用性更為突出。

對于混凝土的壓應(yīng)力，如圖7所示，兩種錨固體系的混凝土中心部位的壓應(yīng)力較大，與錨墊板直接接觸的地方有應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部區(qū)域超過50 MPa（灰色區(qū)域），但是由于有螺旋筋等箍筋的存在，能很大程度承受錨墊板傳遞過來的壓應(yīng)力，使混凝土不至于破壞。另外，本次計(jì)算沒有考慮混凝土內(nèi)加強(qiáng)筋的作用，實(shí)際工程中，構(gòu)件內(nèi)除了螺旋筋外，還會(huì)分布很多加強(qiáng)筋，這可以減小混凝土的拉應(yīng)力，增強(qiáng)混凝土承受壓應(yīng)力能力，所以，實(shí)際工程中本結(jié)構(gòu)應(yīng)該是安全可靠的。M15CJ-12D型錨下混凝土壓應(yīng)力最大值為108.605 MPa，與YM -M15E-12D型錨下混凝土壓應(yīng)力最大值122.703 MPa相比減少了14 MPa，且應(yīng)力集中擴(kuò)散面積增大，驗(yàn)證了M15CJ-12D型多臺(tái)階錨墊板的優(yōu)越性。

2.2.2錨墊板

錨墊板的結(jié)構(gòu)形式是影響整個(gè)錨下混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，錨墊板所使用的材料為鑄鐵，其極限抗拉強(qiáng)度為200 MPa。錨墊板的應(yīng)力分析如圖8所示，M15CJ -12D錨墊板所受最大拉應(yīng)力為92.473 MPa，YMM15E-12D錨墊板所受最大拉應(yīng)力為142.664 MPa，均小于其極限抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)都在安全范圍內(nèi)，但YMM15E-12D型錨墊板的最大拉應(yīng)力較大，且應(yīng)力較為集中（紅色區(qū)域），M15CJ-12D型應(yīng)力相對分散，所以M15CJ-12D型更為安全有效。

螺旋鋼筋的錨固性能良好，具有較強(qiáng)的握裹力、良好的可焊性和節(jié)省材料等特點(diǎn)，對提高混凝土強(qiáng)度有非常重要的作用，在預(yù)應(yīng)力錨固體系中是必不可少的部分。其應(yīng)力分布狀況如圖9所示，最大應(yīng)力都發(fā)生在第二圈的位置，所以該位置是需要監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域。M15CJ-12D型螺旋筋最大mises應(yīng)力為46.426 MPa，YM-M15E型螺旋筋最大mises應(yīng)力為51.249 MPa，都小于其材料Q235的屈服強(qiáng)度235 MPa，說明M15CJ-12D型螺旋筋更安全，也間接體現(xiàn)了多臺(tái)階錨墊板的可靠性。

綜上所述，錨墊板的結(jié)構(gòu)形態(tài)直接影響到錨下混凝土結(jié)構(gòu)各部件的應(yīng)力變化，通過設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以均勻的分散和減小各部件的應(yīng)力，而緊湊型多臺(tái)階錨墊板能夠滿足這些要求，其原因是多臺(tái)階錨墊板增大了錨墊板與混凝土的接觸面積，能夠把應(yīng)力均勻、廣泛的傳遞到混凝土中去，從而減小了應(yīng)力集中，保證了混凝土的安全。

3 荷載傳遞試驗(yàn)

為驗(yàn)證錨下混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，對M15CJ-12D型錨固體系進(jìn)行荷載傳遞實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)情況如圖10所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c模擬計(jì)算的參數(shù)相同，荷載按鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的20%、40%、60%、80%分級(jí)加載，當(dāng)達(dá)到80%后，進(jìn)行10次慢速循環(huán)加載，上限荷載為0.8FptkApkn，下限荷載為0.12FptkApkn，循環(huán)加載后，逐步增加荷載直至試件破壞。試驗(yàn)顯示錨墊板下沉量很小，且錨墊板完好，滿足安全要求。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表3及圖11可知，試件破壞荷載均大于1.1（3437.28 kN），最大裂縫寬度為0.18 mm，最后2次荷載循環(huán)應(yīng)變小于5%，裂縫寬度增量未超過0.02 mm，滿足規(guī)范JT/T329-2010中的相關(guān)要求。為了對比分析，在混凝土側(cè)面距離錨墊板外表面1/2試件寬度處，每個(gè)面橫豎各貼一個(gè)應(yīng)變片，張貼完應(yīng)變片后用膠帶粘住有焊接的一側(cè)，可以使之固定和絕緣。取此處沿加載方向的試驗(yàn)應(yīng)變平均值與有限元模型對應(yīng)位置的應(yīng)變值進(jìn)行對比分析。

各錨下混凝土試件的開裂方式基本相同（圖12），其中圖12（a）為試件端面混凝土開裂形態(tài)，在加載過程中出現(xiàn)端部斜裂縫和橫向裂縫，裂縫由中部向四周擴(kuò)展，逐漸延伸到試件側(cè)面，錨墊板在試驗(yàn)中承受兩種荷載∶一是在壓力試驗(yàn)機(jī)上施加的局部荷載，另一種為錨下混凝土產(chǎn)生反作用于錨墊板的荷載，直至混凝土試件破壞，錨墊板都未發(fā)生開裂，充分說明錨下混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。圖12（b）為側(cè)面混凝土的開裂形態(tài)，其裂縫大多為豎向裂縫，當(dāng)加載到試件破壞時(shí)，裂縫一般延伸至距試件張拉端1/2處。

模型構(gòu)件為軸對稱的模型，所以用有限元做分析時(shí)，是采用1/8對稱模型，故在張貼應(yīng)變片處取點(diǎn)，如圖13所示，通過有限元中的定義路徑取值。試驗(yàn)中由于各種因素的影響，很難做到完全對稱。但也比較接近，所以這里取數(shù)據(jù)的平均值與模擬值進(jìn)行比較，對模型一次性加載到0.8Fptk進(jìn)行分析，根據(jù)表4可知，有限元的模擬值與試驗(yàn)值非常接近，說明ANSYS模擬分析比較符合實(shí)際試驗(yàn)的情況，所建模型合理可靠。

4 結(jié)論

本文在原有國產(chǎn)錨固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出更為優(yōu)越的錨固體系的重要部件（新型錨墊板）。并參考規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建議，對后張預(yù)應(yīng)力錨下混凝土結(jié)構(gòu)從ANSYS模擬與試驗(yàn)兩部分分別展開研究，建立了較完整的錨下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

（1）從三個(gè)方面對原YM-M15E-12D型錨墊板進(jìn)行優(yōu)化，得到適用性更強(qiáng)，安全性更高的M15CJ-12D緊湊型多臺(tái)階錨墊版，有效地緩解了荷載傳遞帶來的應(yīng)力集中，又節(jié)約了材料，比傳統(tǒng)階梯狀錨墊板更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，優(yōu)化后產(chǎn)品比較原產(chǎn)品，重量減輕了約0.1 kg，因此按照鋼材價(jià)格及目前柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司錨墊板的年產(chǎn)量，每年可節(jié)省材料費(fèi)300萬左右。

（2）通過ANSYS有限元分析軟件對新舊錨下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證新型錨墊板的可靠性，總結(jié)得出新型錨墊板的優(yōu)越性。對優(yōu)化后的M15CJ-12D型錨墊板跟原進(jìn)行有限元比較分析，雖然兩種錨墊板和錨下混凝土皆滿足規(guī)范要求，但新型錨下應(yīng)力分布更為均勻，錨下混凝土側(cè)表面拉應(yīng)力相對較小，且混凝土的最大拉應(yīng)力基本上都會(huì)出現(xiàn)在喇叭口的末端，錨墊板的最大拉應(yīng)力也相對較小。

（3）為了保證有限元分析的精度，為今后的模擬分析提供可靠的依據(jù)，對有限元中的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討。并將模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互參照，以驗(yàn)證有限元分析的合理性和準(zhǔn)確性。

［1］鄞少強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨固體系的有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)'2003.

［2］ASTMC 939-97'Standard testmethod for flow of grouts for preplacedaggregate concrete［S］.

［3］劉土冬'鞠眉周'趙景飛.土層預(yù)應(yīng)力錨索在臺(tái)兒莊泵站工程中的應(yīng)用［J］.河南水利與南水北調(diào)'2012' 22:43-44.

［4］NSBD-ZXJ-1-01'南水北調(diào)中線干線工程預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、施工和管理技術(shù)指南［S］.

［5］JT/T329-2010'中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］彭翰澤.CP1000型核電站安全殼錨固區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.柳州:廣西理工業(yè)學(xué)院'2011.

［7］GB50010-2002'中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Optimization Design for Prestressed Bearing Plate Structure

MAQian1，ZHUWanxu1，2，SU Haiting1，F(xiàn)UWei2，YANG Baodong1
（1.School of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Liuzhou OVM Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou 545005，China）

With the expansion of application scope of prestressed concrete structure，there has higher request for the safety of the concrete structure under the anchor.According to the requirements for anchor-plate in the design of prestressed in the South-North water transfermiddle route project，the optimization and improvement of YM-M15E-D in OVM anchorage system，are analyzed，the optimization design method is put forward，and the structure of new anchor system M15CJ-12D is established.Then the new structure is analyzed by Ansys，the result is compared with its original structure.And its components and safety performance are tested by load transfer test，the strain values of concrete structure，tests and strain values that simulated are compared and analyzed.The results confirm that simulation parameters conform to the actual working condition.Finally a safer，advanced and economic concrete structure system under anchor is obtained.

bearing plate；concrete structure under anchor；load transfer test；ANSYS；comparative analysis

TB115

A

1673-1549（2014）01-0081-07

10.11863/j.suse.2014.01.21

2013-09-26

馬倩（1987-），女，山東濟(jì)寧人，碩士生，主要從事預(yù)應(yīng)力技術(shù)方面的研究，（E-mail）maqiantian2007@126.com