鐵路橋梁高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨固體系技術(shù)研究

石龍 馬林 陳勝利 蘇永華

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

截至2020年12月，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)14.63萬(wàn)km，其中高速鐵路3.8萬(wàn)km。根據(jù)《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，到2035年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到20萬(wàn)km，其中高速鐵路7萬(wàn)km左右。由于高速鐵路橋梁比例較高，且多以混凝土橋?yàn)橹?，未?lái)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁仍有大量的應(yīng)用需求。

目前，我國(guó)主要使用1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及配套夾片式錨固體系，普遍應(yīng)用于高速鐵路、客貨共線鐵路、重載鐵路橋梁建設(shè)［1］。隨著鋼鐵冶煉技術(shù)、加工工藝的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平不斷提升，提高了預(yù)應(yīng)力體系強(qiáng)度，可有效節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材用量，提升工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。推動(dòng)我國(guó)預(yù)應(yīng)力體系的技術(shù)升級(jí)，對(duì)提高鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的技術(shù)水平意義重大。

預(yù)應(yīng)力錨固體系包含錨板、夾片、錨墊板等，是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)逐漸使用強(qiáng)度1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨固體系；90年代末，2 000 MPa級(jí)的鋼絞線已研發(fā)成型，在公路橋梁領(lǐng)域有一定應(yīng)用［2］。然而，由于高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨固體系的應(yīng)用技術(shù)研究不足，我國(guó)鐵路混凝土橋基本使用1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，未能推廣使用2 000 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

本文基于2 000 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼絞線的應(yīng)用需求，開(kāi)展配套錨固體系的設(shè)計(jì)、計(jì)算及試驗(yàn)研究，為高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 高強(qiáng)度錨固體系設(shè)計(jì)

1.1 夾片及錨板設(shè)計(jì)

為保證錨固的可靠性，方便錨具加工和張拉操作，2 000 MPa級(jí)夾片和錨板在構(gòu)造形式上采用1個(gè)錨固單元錨固一根鋼絞線的群錨結(jié)構(gòu)［3］。2 000 MPa級(jí)夾片材料選用20CrMnTi。夾片結(jié)構(gòu)形式為圓形，采用直分兩片四開(kāi)式；夾片設(shè)彈性槽，小端內(nèi)孔設(shè)倒錐截齒，以兼顧靜力錨固和疲勞受力性能；錐面光潔度采用皂化防銹處理。2 000 MPa級(jí)夾片見(jiàn)圖1。

圖1 2 000 MPa級(jí)夾片（單位：mm）

2 000 MPa級(jí)錨板材料選用優(yōu)質(zhì)45號(hào)碳素鋼。錨板錐孔呈同心圓均布排列，錐孔軸線與錨板軸線平行。錨板厚度和直徑需滿(mǎn)足TB/T 3193—2016《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器》［4］中錨板受力和變形的要求，并不小于規(guī)范最小尺寸。錨板最高規(guī)格是22孔，以22孔規(guī)格為例，2 000 MPa級(jí)錨板見(jiàn)圖2。

圖2 2 000 MPa級(jí)22孔規(guī)格錨板（單位：mm）

1.2 鋼錨墊板設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)1 860 MPa級(jí)錨固體系采用的鑄鐵錨墊板生產(chǎn)成本高，因此，結(jié)合高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨固體系，研發(fā)兼具環(huán)保和技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的鋼錨墊板。綜合考慮錨固區(qū)結(jié)構(gòu)受力、錨墊板加工制造、錨墊板經(jīng)濟(jì)性等情況對(duì)鋼錨墊板進(jìn)行設(shè)計(jì)。2 000 MPa級(jí)鋼錨墊板幾何模型見(jiàn)圖3，其胚料全部采用鋼管，剪裁成相應(yīng)肋板和豎筒，組合焊接成型。鋼錨墊板采用45號(hào)鋼管。錨墊板最高規(guī)格是19孔，以19孔規(guī)格為例，2 000 MPa級(jí)鋼錨墊板見(jiàn)圖4。

圖3 2 000 MPa級(jí)鋼錨墊板幾何模型

圖4 2 000 MPa級(jí)19孔規(guī)格鋼錨墊板（單位：mm）

2 高強(qiáng)度錨固體系計(jì)算

2.1 錨板計(jì)算

參考文獻(xiàn)［5］的方法進(jìn)行錨板計(jì)算。TB/T 3193—2016中規(guī)定，設(shè)計(jì)錨板須滿(mǎn)足受力和變形的要求：①當(dāng)錨板承受荷載達(dá)到0.95fptk（fptk為鋼絞線公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）后釋放荷載，錨板的殘余變形撓跨比不應(yīng)大于1/600；②當(dāng)錨板承受荷載達(dá)到1.2fptk時(shí)，錨板不應(yīng)有肉眼可見(jiàn)裂紋或破壞。采用彈塑性有限單元法開(kāi)展錨板的計(jì)算分析，45號(hào)鋼的性能參數(shù)參考文獻(xiàn)［6］，抗拉強(qiáng)度600 MPa，屈服強(qiáng)度355 MPa，彈性模量210 GPa，斷后伸長(zhǎng)率16%。

選擇6孔、12孔、19孔和22孔規(guī)格錨具進(jìn)行彈塑性有限元分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍^板的殘余變形撓跨比為1/2 800～1/1 000，von Mises應(yīng)力為430～500 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范限值要求并具有一定的安全儲(chǔ)備。

表1 不同規(guī)格錨板有限元分析結(jié)果

2.2 鋼錨墊板計(jì)算

鋼錨墊板作為關(guān)鍵部件，將錨板的力傳遞至錨固區(qū)混凝土，其受力性能主要通過(guò)錨墊板傳力構(gòu)件的受力性能來(lái)評(píng)價(jià)（圖5）。依據(jù)JGJ 85—2010《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［7］，傳力構(gòu)件受力需滿(mǎn)足：①加載到0.8Fptk（Fptk為錨墊板設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，傳力構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度應(yīng)小于等于0.20 mm；②加載到1.0Fptk時(shí)，鋼錨墊板不出現(xiàn)裂縫；③加載到1.2Fptk時(shí)，傳力構(gòu)件不破壞。

圖5 鋼錨墊板傳力構(gòu)件

采用彈塑性實(shí)體有限元進(jìn)行鋼錨墊板傳力構(gòu)件受力分析，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用考慮破壞階段的彈塑性損傷本構(gòu)模型［8］。有限元計(jì)算時(shí)傳力構(gòu)件的控制標(biāo)準(zhǔn)為：①采用最大單元應(yīng)變間接控制裂縫寬度，混凝土單元尺寸為20 mm，加載至0.8Fptk時(shí)最大單元應(yīng)變不超過(guò)0.010；②對(duì)于鋼錨墊板，加載至1.0Fptk時(shí)等效塑性應(yīng)變不超過(guò)2.0%；③加載至1.2Fptk時(shí)控制構(gòu)件承載力-豎向位移曲線不得出現(xiàn)因負(fù)剛度引起的不收斂。

19孔規(guī)格傳力構(gòu)件損傷度及應(yīng)變見(jiàn)圖6，加載至1.2Fptk時(shí)構(gòu)件的承載力-豎向位移曲線，見(jiàn)圖7。可知：①加載至0.8Fptk時(shí)，損傷度為0.953時(shí)的混凝土側(cè)面損傷應(yīng)變換算值為0.008 3，滿(mǎn)足控制標(biāo)準(zhǔn)中混凝土開(kāi)裂控制要求。②加載至1.0Fptk時(shí)，鋼錨墊板的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.3%，滿(mǎn)足控制標(biāo)準(zhǔn)中錨墊板塑性變形要求。③加載至1.2Fptk時(shí)，剛度有損失，但未出現(xiàn)負(fù)剛度和曲線不收斂現(xiàn)象，滿(mǎn)足控制標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件承載能力要求。

圖6 傳力構(gòu)件損傷度及應(yīng)變

圖7 加載至1.2F ptk時(shí)構(gòu)件承載力-豎向位移曲線

3 高強(qiáng)度錨固體系試驗(yàn)

3.1 錨板及夾片試驗(yàn)

1）硬度試驗(yàn)

錨板及夾片設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)TB/T 3193—2016的要求，100幅夾片有600個(gè)測(cè)點(diǎn)，100個(gè)錨板有300個(gè)測(cè)點(diǎn)；夾片表面硬度不應(yīng)小于79 HRA，錨板表面硬度不應(yīng)小于20 HRC。

實(shí)測(cè)100幅夾片和100件錨板的表面硬度分布見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)：①總體上夾片表面硬度呈正態(tài)分布，75%以上的測(cè)點(diǎn)硬度分布在81.0～83.5 HRA；②夾片表面硬度最大值為84.4 HRA，最小值為80.0 HRA，平均值為82.1 HRA，滿(mǎn)足不小于79.0 HRA的要求；③總體上錨板表面硬度分布集中在27.0～33.0 HRC，占全部測(cè)點(diǎn)的78%以上；④錨板表面硬度最大值為34.0 HRC，最小值為25.0 HRC，平均值為29.8 HRC，滿(mǎn)足不小于20.0 HRC的要求。

圖8 表面硬度分布

2）靜載錨固性能試驗(yàn)

依據(jù)TB/T 3193—2016開(kāi)展錨板、夾片、鋼絞線組裝件的靜載錨固性能試驗(yàn)，要求錨板和夾片的靜載錨固性能同時(shí)滿(mǎn)足錨具效率系數(shù)ηa≥95%和實(shí)測(cè)極限拉力總應(yīng)變?chǔ)臿pu≥2.0%兩項(xiàng)要求。

2 000 MPa級(jí)錨具靜載錨固性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2 000 MPa級(jí)錨具靜載錨固性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)：ηa>95.6%，εapu>2.5%，滿(mǎn)足規(guī)范限值。

3）疲勞性能試驗(yàn)

依據(jù)TB/T 3193—2016開(kāi)展錨板、夾片、鋼絞線組裝件的疲勞性能試驗(yàn)，要求疲勞性能應(yīng)滿(mǎn)足試驗(yàn)應(yīng)力上限，取fptk的65%，疲勞應(yīng)力幅100 MPa。試件經(jīng)受200萬(wàn)次循環(huán)荷載后，錨具零件不應(yīng)疲勞破壞，且鋼絞線因錨具夾持作用發(fā)生疲勞破斷的截面面積不應(yīng)大于試件總截面面積的5%。2 000 MPa級(jí)錨具疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，不同規(guī)格錨具組裝件在疲勞次數(shù)超過(guò)200萬(wàn)次時(shí)鋼絞線均未發(fā)生斷絲，疲勞性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 2 000 MPa級(jí)錨具疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

4）錨板強(qiáng)度試驗(yàn)

為了保證錨板的受力性能和安全性，TB/T 3193—2016提出了錨板強(qiáng)度試驗(yàn)的要求：錨板強(qiáng)度靜載承壓試驗(yàn)中，在施加荷載達(dá)到0.95fptk后釋放荷載，錨板殘余變形撓跨比不應(yīng)大于1/600；在加載荷載達(dá)到1.2fptk時(shí)，錨板不應(yīng)有肉眼可見(jiàn)裂紋或破壞。

2 000 MPa級(jí)錨具錨板強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4（每種規(guī)格選5個(gè)錨板）?？芍孩偌虞d至0.95fptk后釋放荷載，不同規(guī)格的錨板殘余變形撓跨比不大于1/1 477，滿(mǎn)足規(guī)范限值要求。②加載至1.2fptk時(shí)，各規(guī)格錨板均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋或破壞。2 000 MPa級(jí)錨具的錨板強(qiáng)度試驗(yàn)各指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表4 2 000 MPa級(jí)錨具錨板強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 鋼錨墊板錨固區(qū)傳力性能試驗(yàn)

依據(jù)JGJ 85—2010開(kāi)展鋼錨墊板的錨固區(qū)傳力性能試驗(yàn)，分析采用鋼錨墊板時(shí)錨固區(qū)混凝土在荷載作用下的受力性能，試驗(yàn)工裝見(jiàn)圖9。

圖9 鋼錨墊板錨固區(qū)傳力性能試驗(yàn)工裝

以19孔規(guī)格鋼錨墊板為例，開(kāi)展了3個(gè)傳力構(gòu)件的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）加載至0.8Fptk時(shí)，3個(gè)傳力構(gòu)件混凝土裂縫寬度最大值分別為0.14、0.10、0.11 mm，均滿(mǎn)足小于0.20 mm的限值要求；

2）加載至1.0Fptk時(shí)，3個(gè)傳力構(gòu)件的鋼錨墊板均未出現(xiàn)裂縫，未發(fā)現(xiàn)其他破壞現(xiàn)象；

3）加載至1.2Fptk時(shí)，3個(gè)傳力構(gòu)件均未發(fā)生破壞，鋼錨墊板未出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明研發(fā)的鋼錨墊板可滿(mǎn)足規(guī)范中錨固區(qū)傳力性能要求。

4 結(jié)論

1）通過(guò)彈塑性有限元分析，本文設(shè)計(jì)的錨板的殘余變形撓跨比為1/2 800～1/1 000，von Mises應(yīng)力為430～500 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范限值要求。

2）鋼錨墊板采用鋼管剪裁、組合焊接的形式，彈塑性有限元分析結(jié)果表明，錨墊板傳力構(gòu)件的裂縫寬度、強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3）錨板和夾片的表面硬度分布范圍合理，夾片表面硬度最小值為80.0 HRA，錨板表面硬度最小值為25.0 HRC。錨板、夾片和鋼絞線組裝件的靜載錨固性能、疲勞性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4）19孔規(guī)格鋼錨墊板的錨固區(qū)傳力性能試驗(yàn)表明，加載至0.8Fptk（Fptk為錨墊板設(shè)計(jì)荷載）時(shí)傳力構(gòu)件混凝土裂縫寬度不大于0.14 mm，加載至1.2Fptk時(shí)傳力構(gòu)件未破壞、鋼錨墊板未開(kāi)裂，滿(mǎn)足規(guī)范限值要求。