預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板錨固塊構(gòu)造及其受力性能

樊俊亮

（甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 甘肅蘭州 730030）

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板錨固塊構(gòu)造及其受力性能

樊俊亮

（甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 甘肅蘭州 730030）

為了對不同情況下的構(gòu)造預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板錨固塊在預(yù)應(yīng)力鋼束根數(shù)不同的情況下受力性能的揭示，本文針對幾種典型的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板的錨固塊構(gòu)造進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，并通過有限元軟件的使用實現(xiàn)了對構(gòu)造不同的錨固塊的模擬，同時針對以下幾種情況展開了分析：①錨固塊受到預(yù)應(yīng)力筋作用時相應(yīng)區(qū)域混凝土的受力性能；②參數(shù)化分析了影響錨固塊受力性能的因素；③對不同預(yù)應(yīng)力束數(shù)對應(yīng)的箱梁底板上、下緣進(jìn)行配筋，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行驗算。從而得到預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板錨固塊張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時的受力特點，確定了影響錨固塊受力性能的關(guān)鍵因素，并給出了合理的底板錨固區(qū)配筋形式，可為設(shè)計計算同類橋梁的底板錨固塊構(gòu)造提供參考。

預(yù)應(yīng)力；混凝土；箱底板；錨固快；構(gòu)造

1 引言

在體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，體外束常常通過突出于箱梁內(nèi)壁上的矩形錨固塊錨固。由于體外預(yù)應(yīng)力僅僅依靠錨固塊承受，一個錨固塊承受的荷載通常在幾百噸量級，一旦錨固塊受損，后果極其嚴(yán)重。因此，體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁錨固塊必須比一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁錨固構(gòu)造安全系數(shù)更大。錨固塊是體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的關(guān)鍵構(gòu)造之一，其結(jié)構(gòu)的合理性對橋梁的疲勞、耐久性、承載能力起著至關(guān)重要的作用。

2 鋸齒塊關(guān)鍵構(gòu)造參數(shù)統(tǒng)計

2.1 鋸齒塊構(gòu)造

錨固鋸齒塊構(gòu)造位于混凝土頂、底板上。預(yù)應(yīng)力鋼束在錨固端一般會彎起一定角度，鋸齒塊要保證錨固端與鋼束垂直。因此鋸齒塊一邊和鋼束彎起角度平行；另一邊位于鋼束錨固端，與鋼束垂直。鋸齒塊寬度依據(jù)橫向鋼束股數(shù)而定，股數(shù)越多橫向?qū)挾仍酱蟆?/p>

2.2 兩座有代表性橋梁的統(tǒng)計結(jié)果

一般情況下，混凝土板配置上下兩層直徑為25mm的鋼筋，鋼筋根數(shù)和鋼束根數(shù)呈正相關(guān)。距離鋸齒塊較近的一層鋼筋較長，長度達(dá)到7m，包含整個鋸齒塊區(qū)域并向兩側(cè)延伸1～2m；距離鋸齒塊較遠(yuǎn)的一層鋼筋相對較短，長度一般在4～5m，同樣包含整個鋸齒塊區(qū)域，并向兩側(cè)延伸。

2.3 分析選取參數(shù)

工程中常用的頂板錨固鋸齒塊高度和寬度相對固定，略大于錨頭的尺寸，保證預(yù)應(yīng)力鋼束能夠正常錨固。變化的參數(shù)一般為鋼束根數(shù)、混凝土板厚、鋼束彎起角度和鋼束彎起半徑。通常情況下，選取鋼束根數(shù)為12根、混凝土板厚22cm、鋼束彎起角度15°、鋼束彎起半徑5m的鋸齒塊作為基準(zhǔn)鋸齒塊進(jìn)行對比分析。

3 分析方法

3.1 有限元模擬方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力性能參數(shù)化分析，對錨固鋸齒塊進(jìn)行模擬。其中混凝土采用SOLID65單元進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元進(jìn)行模擬。

3.2 約束和荷載

考慮到約束條件對錨固鋸齒塊受力會有一定影響，為盡量減小約束的影響，將約束設(shè)置在縱、橫橋向距離鋸齒塊兩邊各4m的位置（該距離大于鋸齒塊本身x方向尺寸），約束住模型x方向兩端節(jié)點所有自由度進(jìn)行計算。預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土之間采用約束方程的方法進(jìn)行約束。

4 錨固鋸齒塊受力性能影響因素

為方便計算結(jié)果之間比較，將計算得到的混凝土底板上、下緣中間位置的主拉應(yīng)力（即坐標(biāo)y＝0、z＝0和y＝0、z＝－h(huán)c位置的所有節(jié)點主拉應(yīng)力）作為比較對象。

4.1 鋼束根數(shù)

這里給出的主拉應(yīng)力為未配置縱向鋼筋時混凝土的主拉應(yīng)力，僅為分析錨固塊在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉作用下受力特點。實際工程中在錨固塊配置普通鋼筋后，混凝土主拉應(yīng)力會大幅減小。配置適當(dāng)鋼筋后，各個截面承載力符合規(guī)范要求。

4.2 混凝土底板板厚

計算得到不同混凝土底板板厚對應(yīng)的混凝土上、下緣主拉應(yīng)力分布趨勢和不同鋼束根數(shù)對應(yīng)的趨勢基本相同。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，混凝土上、下緣對應(yīng)最大的主拉應(yīng)力位置基本相同。因此這里僅給出采用不同混凝土底板板厚混凝土底板上、下緣主拉應(yīng)力最大值與對應(yīng)板厚的關(guān)系。也就是說混凝土底板上緣（即預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固一側(cè)）最大的主拉應(yīng)力大于混凝土底板下緣最大的主拉應(yīng)力。隨著混凝土底板板厚增加，混凝土主拉應(yīng)力逐漸減小，但小幅度很小。其中板厚22cm時對應(yīng)的混凝土底板上緣混凝土主拉應(yīng)力最大值為10.3MPa；當(dāng)板厚增加到28cm時，對應(yīng)的上緣混凝土主拉應(yīng)力最大值減小為9.9MPa，僅減小3.9％。下緣混凝土最大的主拉應(yīng)力由22cm對應(yīng)的5.6MPa下降到28cm對應(yīng)的5.6MPa，減小10.7％。由此說明，混凝土底板板厚對混凝土底板錨固區(qū)域受力的影響較小。

4.3 彎起角度

不同彎起的角度會引起錨固塊尺寸的變化。同樣高度的錨固塊，彎起的角度越小，對應(yīng)的錨固塊長度越大。由圖中可以看出，鋼束彎起的角度在10～15°范圍內(nèi)，隨著彎起的角度增加，混凝土底板上緣主拉應(yīng)力最大值逐漸減小，下緣的主拉應(yīng)力最大值逐漸增加，主拉應(yīng)力最大值變化的幅度很小。彎起的角度增大到20°時，上緣的主拉應(yīng)力最大值增大為11.2MPa，較15°對應(yīng)的10.3MPa增大了8.7％，增幅也比較小。通過以上計算分析得到，鋼束彎起的角度對混凝土底板受力影響較小。彎起的角度15°是一個對混凝土底板受力較有利的選擇。

4.4 彎起半徑

如圖1所示為鋼束彎起的半徑與混凝土主拉應(yīng)力最大值對應(yīng)關(guān)系。由圖中可以看出，鋼束彎起的半徑在6～8m范圍內(nèi)，隨著彎起的半徑增加，混凝土底板上緣主拉應(yīng)力最大值逐漸增大，下緣的主拉應(yīng)力最大值逐漸減小，主拉應(yīng)力最大值變化的幅度很小。彎起的半徑增大到8m（工程中已經(jīng)十分少見）時，上緣的主拉應(yīng)力最大值增大為10.9MPa，較8m對應(yīng)的10.3MPa增大了5.8％，增幅也比較小。通過以上計算分析得到，鋼束彎起的半徑對混凝土底板受力影響較小。彎起半徑6m是一個對混凝土底板受力較有利的選擇。

圖1 鋼束彎起半徑與混凝土主拉應(yīng)力最大值對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)語

通過對兩座典型預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中選用的鋸齒塊進(jìn)行歸納，參數(shù)化分析了不同構(gòu)造及鋼束根數(shù)對鋸齒塊受力性能的影響，并對鋸齒塊及附近區(qū)域進(jìn)行了截面驗算和配筋，得到如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有錨固鋸齒塊的構(gòu)造基本合理，依據(jù)實際情況對錨固鋸齒塊的尺寸進(jìn)行小幅修改對錨固鋸齒塊受力無太大影響。

（2）錨固鋸齒塊中張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束根數(shù)對鋸齒塊受力起決定性作用，應(yīng)根據(jù)實際張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束根數(shù)對鋸齒塊進(jìn)行配筋。

（3）根據(jù)有限元計算及對截面配筋的結(jié)果，鋸齒塊與底板交界靠近張拉端的位置底板上緣的混凝土及鋸齒塊中間位置對應(yīng)底板的下緣混凝土受到較大拉應(yīng)力。相應(yīng)的鋸齒塊位置底板應(yīng)對稱配置適量鋼筋防止底板開裂。

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U442

A

1004-7344（2016）23-0143-02

2016-7-27

樊俊亮（1988-），男，助理工程師，本科，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，道路橋梁專業(yè)，主要從事高速公路修建管理工作。