混凝土錨下局部應(yīng)力分布規(guī)律研究

王津舟

(中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)(天津)置業(yè)有限公司，天津300142)

圖1 錨固區(qū)應(yīng)力分布圖(λ=0.1)

圖2 不同承壓比λ下主應(yīng)力矢量圖

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)錨固區(qū)受力分析及設(shè)計問題一直是各國在預(yù)應(yīng)力混凝土領(lǐng)域研究的熱點問題［1］－［5］，但是各國的研究方法和結(jié)果之間目前還存在較大差異。歐洲混凝土協(xié)會曾經(jīng)在5個不同國家范圍內(nèi)做過一項關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)設(shè)計的調(diào)查，設(shè)計對象是一個有6條預(yù)應(yīng)力束的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，要求各國按照本國的規(guī)范對預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)進(jìn)行設(shè)計，主要設(shè)計參數(shù)包括劈裂力、劈裂力范圍以及錨固區(qū)截面所需的配筋量。不同國家的設(shè)計結(jié)果顯示，各個設(shè)計參數(shù)的范圍變化很大，劈裂力范圍為49.5～440 kN，平均值為193 kN;劈裂力區(qū)范圍為170～850 mm，平均值為508 mm;所需配筋面積范圍為207～2 000 mm2，平均值為790 mm2。從中可以看出，在預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)設(shè)計問題上各國的規(guī)范之間存在較大差異，造成安全隱患是難免的，因此有必要對預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的設(shè)計理論做進(jìn)一步深入的研究。本文采用拉－壓桿理論對預(yù)應(yīng)力混凝土單中心直錨情況進(jìn)行了初步研究，得出了一些有意義的結(jié)論。

圖3 不同承壓比時劈裂應(yīng)力的變化規(guī)律

1 單中心直錨局部應(yīng)力分析

單中心直錨是所有預(yù)應(yīng)力錨中最簡單的一種布置形式，但也是最具有代表性的一種預(yù)應(yīng)力布置形式，其影響錨固區(qū)應(yīng)力分布的主要因素是承壓比λ=a/h，即錨墊板尺寸a與構(gòu)件截面高度h之比。以下分析了承壓比λ對單中心直錨錨固區(qū)應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

為分析單中心直錨錨固區(qū)的應(yīng)力分布情況，設(shè)錨具為矩形錨，取承壓比λ=a/h=0.1，忽略預(yù)應(yīng)力孔道的影響，將矩形截面單中心直錨簡化為平面結(jié)構(gòu)，建立平面彈性有限元模型，分析得錨固區(qū)的應(yīng)力分布如圖1所示。圖中標(biāo)識為各應(yīng)力分量與構(gòu)件預(yù)應(yīng)力方向平均壓應(yīng)力σ0=P/(th)之比(t截面厚度)，即k=σ/σ0。圖2為不同承壓比下主應(yīng)力矢量圖。

在對以上計算結(jié)果進(jìn)行分析之前，首先明確劈裂應(yīng)力、劈裂力、脹裂應(yīng)力、脹裂力的概念［6］。劈裂應(yīng)力(Bursting Stressing):是指由于集中荷載的擴散作用所引起的，在集中荷載作用點前，與集中荷載作用方向垂直的拉應(yīng)力。劈裂力(Bursting Force):是指劈裂拉應(yīng)力的合力。脹裂應(yīng)力(Spalling Stressing):是指集中荷載作用下，為滿足變形協(xié)調(diào)條件，在結(jié)構(gòu)端面集中荷載作用點兩側(cè)一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的與集中荷載作用方向垂直的拉應(yīng)力。脹裂力(Spalling Force):是指脹裂拉應(yīng)力的合力。通過圖1和2可以看出:

(1)在預(yù)應(yīng)力集中荷載作用下，錨前一定范圍內(nèi)存在較大的劈裂應(yīng)力區(qū)，在承壓比λ=0.1情況下，錨前劈裂應(yīng)力高達(dá)0.4σ0。同時在錨固端截面橫向及構(gòu)件邊緣縱向均存在較高的脹裂應(yīng)力，在承壓比λ=0.1情況下，脹裂應(yīng)力高達(dá)0.33σ0，但是脹裂應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力張拉方向的存在范圍非常小，因此，對于中心直錨脹裂力可以忽略。

(2)在預(yù)應(yīng)力集中荷載作用下，錨前約1倍h范圍內(nèi)應(yīng)力分布比較紊亂，預(yù)應(yīng)力荷載通過約1倍h長度才比較均勻地分布到整個截面;隨著承壓比λ的增大錨前劈裂應(yīng)力逐漸減小，錨前應(yīng)力分布更加均勻。

圖4 劈裂力及其作用點位置與λ關(guān)系

2 不同承壓比λ對劈裂力及脹裂力的影響

為分析不同承壓比λ對劈裂(應(yīng))力及脹裂(應(yīng))力的影響，通過改變錨墊板尺寸大小的方式改變承壓比，分別取λ=0.0～0.9，級差為0.1，計算得劈裂力和脹裂力與λ的關(guān)系如圖3～圖6所示，圖中比值α=

通過對圖3～圖6分析可得如下結(jié)論。

(1)劈裂應(yīng)力受承壓比λ的影響比較敏感，隨著承壓比λ的減小，最大劈裂應(yīng)力迅速增加，呈線性規(guī)律變化，可擬合為:

最大劈裂應(yīng)力在錨前0.2～0.4h范圍內(nèi)迅速增加，達(dá)到最大值后緩慢減小，在錨前1h以后劈裂應(yīng)力已經(jīng)很小，在錨前1.5h以后幾乎不存在劈裂應(yīng)力。最大劈裂應(yīng)力距錨墊板的相對距離隨承壓比λ的增大而有所增大，當(dāng)承壓比λ=0.3時，最大劈裂應(yīng)力距錨墊板的相對距離約為0.4h，而后受承壓比λ的影響很小。

(2)劈裂力與預(yù)應(yīng)力荷載之比隨著承壓比λ的增加而減小，呈線性規(guī)律變化，可用下式擬合，與AASHTO規(guī)范給定值一致。

(3)劈裂力作用點距錨墊板距離ybc與截面高度h之比隨承壓比λ的增加而增加，呈指數(shù)規(guī)律變化，可用下式擬合。當(dāng)承壓比λ＞0.2后，可ybc統(tǒng)一取0.5h。

(4)最大脹裂應(yīng)力與平均壓應(yīng)力σ0之比隨著承壓比λ的增加而減小，呈對數(shù)規(guī)律變化，可用下式擬合，最大脹裂應(yīng)力位置隨承壓比λ的增加而遠(yuǎn)離構(gòu)件中心線。

圖5 最大劈裂應(yīng)力及位置與λ關(guān)系

圖6 不同承壓比時脹裂應(yīng)力的變化規(guī)律

3 結(jié)論

通過以上分析可知:(1)預(yù)應(yīng)力混凝土錨下的應(yīng)力分布規(guī)律比較復(fù)雜，不僅存在著較大的劈裂力，而且在錨墊板兩側(cè)存在著較大的脹裂力;(2)劈裂力與預(yù)應(yīng)力荷載之比隨著承壓比λ的減小而增大，呈線性規(guī)律變化;(3)劈裂力作用點距錨墊板距離ybc與截面高度h之比隨承壓比λ的增加而增加，呈指數(shù)規(guī)律變化，當(dāng)承壓比λ＞0.2后，可統(tǒng)一取ybc=0.5h。

［1］Ramirez，J．Breen，J．E．Proposed Design Procedures for Shear and Torsion in Reinforced and Prestressed Concrete［R］．CTRR248，Austin，Texas，1983

［2］王衛(wèi)鋒，顏全勝，譚毅平，等．預(yù)應(yīng)力張拉是錨下局部應(yīng)力的測試與分析［J］．鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，27(3):42－45

［3］巢斯，熊學(xué)玉，耿耀明．預(yù)應(yīng)力混凝土局部受壓承載力設(shè)計計算建議［J］．建筑技術(shù)開發(fā)，2000，27(2):20－30

［4］段建中，何利．有間接配筋混凝土雙向局部承壓構(gòu)件的試驗研究［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，25(1):82－85

［5］黃僑，王宗林．齊嫩公路橋大噸位預(yù)應(yīng)力錨下局部承壓問題的理論分析及試驗研究［J］．中國公路學(xué)報，1996，9(2):52－61

［6］張文學(xué)．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁局部應(yīng)力分析及拉－壓桿設(shè)計［D］．同濟大學(xué)，2005