槽孔組合反力臺(tái)座設(shè)計(jì)分析

程班軍 姜 娜 袁苗苗 邱國(guó)橋 盧文勝

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海200092；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院視覺(jué)傳達(dá)系，上海201418）

0 引 言

槽式反力臺(tái)座是一種常見(jiàn)的大型土木工程結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)設(shè)施［1］，通常采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)形式，其構(gòu)造特點(diǎn)是沿臺(tái)座可布置多條槽道，使用時(shí)沿槽道縱向任意位置可靈活布置錨固點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱槽式臺(tái)座）。該類型臺(tái)座槽口局部型鋼混凝土可承受豎向拉力，對(duì)不同規(guī)格尺度的試件和反力裝置的固定、加載和測(cè)試有較強(qiáng)的適應(yīng)性。然而，盡管槽式臺(tái)座已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)分析較多依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏明確的性能指標(biāo)；施工時(shí)臺(tái)座內(nèi)型鋼與鋼筋布置相互交織，放線和安裝定位費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且混凝土澆筑施工干擾較大；使用時(shí)臺(tái)座順槽向受力性能較好，橫向性能較差。因此，該傳統(tǒng)槽式臺(tái)座的應(yīng)用受到一定的限制。

隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了布置套筒錨孔的槽錨組合反力臺(tái)座，大大改善了槽式反力臺(tái)座雙向受力性能，但依然存在受力性能指標(biāo)不清、施工干擾大等的諸多困難［2-3］。

本文提出一種新型的槽孔組合反力臺(tái)座，設(shè)置深槽孔與槽道進(jìn)行組合，相比傳統(tǒng)的臺(tái)座形式主要有以下改進(jìn)：

（1）提升了槽式臺(tái)座的承載能力及使用功能；

（2）優(yōu)化了槽道的型鋼與鋼筋布置方式，可實(shí)現(xiàn)型鋼與鋼筋籠模塊化工廠制備，大幅度減少施工干擾并降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度；

（3）基于力學(xué)性能分析和有限元模擬驗(yàn)證，提出了槽孔組合反力臺(tái)座的關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計(jì)方法。

1 槽孔組合反力臺(tái)座的力學(xué)性能

1.1 槽孔組合反力臺(tái)座基本構(gòu)成

如圖1（a）所示，槽孔組合臺(tái)座將傳統(tǒng)槽式臺(tái)座和槽錨臺(tái)座進(jìn)行了改進(jìn)與融合。槽式臺(tái)座［圖1（b）］單點(diǎn)的承載力有限，單點(diǎn)抗拔力一般小于200 kN［4］。

槽錨組合臺(tái)座中錨桿采用無(wú)黏結(jié)的設(shè)計(jì)方案［圖1（c）］，單個(gè)錨桿承載力在500 kN左右，大大提升了臺(tái)座的工作性能；其鋼結(jié)構(gòu)部分為預(yù)加工后單件安裝，或者多件整體焊接并吊裝就位的方式進(jìn)行施工，誤差調(diào)整后，再進(jìn)行鋼筋或預(yù)應(yīng)力筋的施工，最后澆筑混凝土。由于傳統(tǒng)臺(tái)座多基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)施工，缺乏合理的計(jì)算模型和設(shè)計(jì)方法，施工時(shí)鋼筋籠與型鋼結(jié)構(gòu)穿插布置，甚至需要先將預(yù)制鋼構(gòu)吊起、懸空穿插鋼筋，致使其關(guān)鍵受力骨架和部件難以定位，施工工序相互干擾多、難度大、精度差、返工多、效率低。

本文提出的新型槽孔組合反力臺(tái)座，將傳統(tǒng)槽式臺(tái)座中的槽口預(yù)埋型鋼-1［圖1（b）］由槽道下方厚板處調(diào)整到了槽道兩側(cè)深梁處［圖1（d）］，同時(shí)將錨孔改進(jìn)為深槽孔［圖1（e）］，既改善了槽道受力模型及施工流程，又降低了施工精度要求和運(yùn)維難度。

圖1 槽孔組合臺(tái)座與傳統(tǒng)臺(tái)座結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖（單位：mm）Fig.1 Comparison of the structural details of the channel-anchor composite strong floor and the conventional strong floor（Unit：mm）

1.2 槽孔組合反力臺(tái)座性能參數(shù)

槽道部分主要由槽口型鋼-2和豎向型鋼-3將拉力向混凝土傳遞，一般采用連續(xù)梁受力模型進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于混凝土部分，定義沿槽道方向?yàn)榭v向，水平垂直方向?yàn)闄M向，縱向視為深梁，橫向則視為單向厚板計(jì)算其配筋（表1）。

表1 槽孔組合臺(tái)座力學(xué)模型Table 1 The mechanical model of the channel-anchor composite strong floor

在綜合分析傳統(tǒng)槽道和錨孔性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文考慮三種不同性能目標(biāo)的臺(tái)座進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，典型臺(tái)座的性能參數(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表2。

表2 槽孔組合臺(tái)座性能參數(shù)指標(biāo)Table 2 Technical parameters of the channel-anchor composite strong floor

2 槽孔組合反力臺(tái)座計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型與分析

以表2中A型槽孔組合反力臺(tái)座為例，槽道的允許變形量為1/2000，各組成部分的計(jì)算分析方法如下。

2.1.1 型鋼部分

槽道部分的受力由槽口的鋼結(jié)構(gòu)將錨固力傳遞給混凝土部分。槽口型鋼-2按簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁計(jì)算分析其在最不利荷載下的受力和變形［5］。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，型鋼的跨數(shù)較多，簡(jiǎn)化起見(jiàn)，連續(xù)梁模型跨數(shù)取為4跨，根據(jù)A型臺(tái)座豎向型鋼布置，取單跨為500 mm。6種最不利工況如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)荷載分布計(jì)算模型Fig.2 Calculation models of the steel structure under different loading cases

在各工況下，A型臺(tái)座型鋼內(nèi)力計(jì)算值見(jiàn)表3。

對(duì)各種最不利荷載分布下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算，以型鋼槽道的變形及豎向槽鋼變形為主要控制條件，允許變形量為1/2 000，該設(shè)計(jì)滿足變形要求。

2.1.2 混凝土部分

對(duì)槽式臺(tái)座混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，沿槽道縱向、橫向各取4 000 mm為典型板塊，其中橫向簡(jiǎn)化為單向厚板［圖3（a）］，縱向簡(jiǎn)化為梁端鉸接的深梁進(jìn)行受力分析［6］［圖3（b）］。在槽道中施加500 kN/m的典型荷載，計(jì)算得到混凝土部分的內(nèi)力及配筋（表5）。

表5 混凝土槽道內(nèi)力及配筋表Table 5 Internal force and reinforcement of the concrete channel

圖3 混凝土結(jié)構(gòu)部分計(jì)算模型（單位：mm）Fig.3 Calculation models of the concrete structure（Unit：mm）

2.1.3 深槽孔部分

傳統(tǒng)錨孔各向承載力均衡，承載力較高，但仍存在施工定位容錯(cuò)小、日常維護(hù)要求高等缺點(diǎn)。深槽孔的受力是由錨桿底面對(duì)槽孔邊緣產(chǎn)生的沖切作用，沖切面驗(yàn)算按45°和沖切到槽道底部?jī)煞N方式（圖4）。兩種不同沖切方式下槽孔承載力計(jì)算結(jié)構(gòu)如表6所示。

圖4 槽孔計(jì)算模型（單位：mm）Fig.4 Calculation model of the concrete anchor hole（Unit：mm）

表6 單槽孔承載力Table 6 Maximum strength capacity of single concrete anchor hole

計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)采用深槽孔的模式代替原有的錨孔，滿足了承載力的要求［7］，同時(shí)降低了施工難度且便利操作與運(yùn)維。

2.2 有限元分析

槽孔反力臺(tái)座針對(duì)傳統(tǒng)槽式反力臺(tái)座的鋼結(jié)構(gòu)布置難點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，為了保證其能夠滿足臺(tái)座性能的要求，基于圖3建立型鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土組合ABAQUS有限元模型（圖5）。整體采用C3D8R單元。網(wǎng)格全部按六面體劃分，控制單元最大尺寸為100 mm，混凝土部分共劃分23 302個(gè)實(shí)體單元，鋼結(jié)構(gòu)部分共劃分19 692個(gè)實(shí)體單元。

圖5 槽孔組合反力臺(tái)座有限元模型Fig.5 Finite element model of the channel-anchor composite strong floor

采用集中荷載加載計(jì)算：計(jì)算反力跨度4 000 mm，單個(gè)錨桿最大拉力為2×250 kN，同理，將臺(tái)座沿槽道方向兩端采用鉸約束。

鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力分析表明，槽鋼最大Mises應(yīng)力約為88.9 MPa［圖6（a）］。根據(jù)豎向變形云圖［圖6（b）］，可以發(fā)現(xiàn)在錨桿作用處，豎向槽鋼最大變形為0.07 mm，遠(yuǎn)小于表4中允許變形值0.50 mm，槽道型鋼跨中最大變形0.20 mm，小于表4中允許變形值0.25 mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

表4 不同工況下型鋼變形量Table 4 Deformation of the steel structure under different loading cases

圖6 槽孔組合臺(tái)座有限元計(jì)算結(jié)果Fig.6 Stress and vertical deformation nephogram of the steel structure

3 槽孔組合臺(tái)座設(shè)計(jì)方法

3.1 槽孔組合臺(tái)座設(shè)計(jì)流程

對(duì)于槽孔組合臺(tái)座，通過(guò)對(duì)力學(xué)模型的明確分析，設(shè)計(jì)過(guò)程更加精細(xì)化、準(zhǔn)確化，通過(guò)有限元分析輔助解決鋼結(jié)構(gòu)部分的復(fù)雜變形及應(yīng)力分析，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性，具體設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖7。

圖7 槽孔組合反力臺(tái)座設(shè)計(jì)流程Fig.7 Design flowchart of the channel-anchor composite strong floor

3.2 成本與工期估算

以A型臺(tái)座為例［圖1（a）及表2］進(jìn)行設(shè)計(jì)施工成本估算。槽孔組合臺(tái)座經(jīng)過(guò)調(diào)整改進(jìn)型鋼布置及深槽孔設(shè)置，節(jié)省了大量預(yù)埋件及安裝費(fèi)用，單方成本由4 067元/m2降至3 732元/m2，下降了8.4%。隨著建造的預(yù)制化和智能化程度的提高［8］，槽孔組合臺(tái)座通過(guò)模塊化預(yù)制［9］，將鋼筋籠制備、錨孔定位等前置于工廠預(yù)制，降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，提升安裝精度，建造工期可縮短16.7%（圖8），并便利臺(tái)座操作與運(yùn)維。

圖8 槽孔組合反力臺(tái)座施工橫道圖Fig.8 Construction schedule bar chart of the channelanchor composite strong floor

4 結(jié) 論

本文提出一種新型的槽孔組合反力臺(tái)座，可較好地改善傳統(tǒng)槽式臺(tái)座及槽錨組合臺(tái)座的力學(xué)性能、施工工藝和運(yùn)維模式，獲得了以下主要結(jié)論：

（1）明確臺(tái)座性能參數(shù)，建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型和有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析；

（2）沿槽道設(shè)置深槽孔進(jìn)行受力組合，提升了槽孔組合臺(tái)座的承載能力及使用功能；

（3）調(diào)整槽道的型鋼與鋼筋布置，可實(shí)現(xiàn)型鋼與鋼筋籠的模塊化工廠制備，提升施工精度、效率并降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度；

（4）提出了槽孔組合反力臺(tái)座的設(shè)計(jì)方法，驗(yàn)證了該新型反力臺(tái)座的可行性。