體外預(yù)應(yīng)力加固錨固裝置設(shè)計(jì)與構(gòu)造研究

任文輝

（中國鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京 100855）

0 引言

為了施加可靠、有效的壓應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力加固。作為一種主動(dòng)加固法[1]，預(yù)應(yīng)力加固體系的重點(diǎn)在于預(yù)張力的合理設(shè)計(jì)、錨固及轉(zhuǎn)向裝置安全可靠。其中錨固體系不僅要承擔(dān)預(yù)應(yīng)力的傳遞，還需將產(chǎn)生的集中應(yīng)力分散傳遞給錨下混凝土錨固裝置[2]。預(yù)應(yīng)力加固錨固體系主要由錨具、錨墊板、螺旋筋及錨固裝置共同組成。

預(yù)應(yīng)力加固橋梁體系中的錨固件是一種特殊構(gòu)造。國內(nèi)學(xué)者對(duì)錨固構(gòu)造的研究主要聚焦于錨固裝置局部承壓設(shè)計(jì)、錨固構(gòu)造配筋設(shè)計(jì)方法、鋼-混剪力連接件、后錨固群錨設(shè)計(jì)等，如付星燃等[3]設(shè)計(jì)了高強(qiáng)耐候鋼結(jié)構(gòu)和超高性能混凝土(UHPC)錨固塊。王艷武等[4]提出一種裝配式錨固裝置并進(jìn)行實(shí)體有限元分析。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究取得了不少成果，但主要聚焦于錨固區(qū)計(jì)算設(shè)計(jì)方法方面，均偏理論計(jì)算，對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用有限，同時(shí)針對(duì)加固方法、實(shí)際加固工程中錨固區(qū)其他合理構(gòu)造的研究有所欠缺。本文將基于Midas FEA有限元分析對(duì)錨固裝置構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)提出混凝土錨固裝置配筋設(shè)計(jì)方法。

1 錨固裝置特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

錨固體系結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

（1）外加預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)力筋，特別是體外索加固完全依靠錨固裝置錨固，一旦錨固裝置破壞失效，導(dǎo)致的后果將是災(zāi)難性的。

（2）不同于新建結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力加固體系中錨固裝置屬后加構(gòu)造，錨固裝置與原結(jié)構(gòu)的有效連接將直接影響預(yù)應(yīng)力加固效果，因此預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨塊與原結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)必須進(jìn)行嚴(yán)格周密的計(jì)算，以保證預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

（3）不同于原預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力體外索的錨固較一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索困難，如考慮到換索因素，鋼索張拉后錨具后面不能用混凝土封閉，對(duì)于錨固區(qū)錨具塊的防腐及耐久性應(yīng)重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)，并留有空間以放置千斤頂和便于鋼索切斷操作。

1.2 設(shè)計(jì)原則

（1）錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡力使主梁受力明確。

（2）盡量減少體外預(yù)應(yīng)力束預(yù)留構(gòu)造對(duì)主梁削弱的影響。

（3）體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在錨固區(qū)受到很大的局部壓力，為了保證混凝土強(qiáng)度需要在錨固點(diǎn)和附近的橋面板，底板、腹板宜局部進(jìn)行加固。

（4）錨塊的尺寸應(yīng)由錨具尺寸、錨具布置、張拉設(shè)備尺寸和局部承壓要求來決定，必要時(shí)應(yīng)加大錨塊尺寸。

2 錨固裝置構(gòu)造優(yōu)化

2.1 錨固區(qū)應(yīng)力分布

體外預(yù)應(yīng)力加固錨固區(qū)受力非常復(fù)雜，在巨大壓應(yīng)力作用及構(gòu)造約束的影響下，錨固裝置構(gòu)造錨固面及與原結(jié)構(gòu)約束邊界常產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，受預(yù)應(yīng)力布置形式、原結(jié)構(gòu)材質(zhì)、局部尺寸及受力等因素影響，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及配筋多集中在錨固構(gòu)造本身，常忽略了錨固裝置的設(shè)置及預(yù)應(yīng)力施加后對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)除防止錨固裝置受壓、剪切破壞外還應(yīng)重點(diǎn)考慮采用預(yù)應(yīng)力加固后如何減小對(duì)原結(jié)構(gòu)受力的影響。

為了研究錨固裝置的受力狀態(tài)，采用Midas FEA建立有限元模型分析其錨固區(qū)應(yīng)力分布情況。模型建立了某橋錨固構(gòu)造（如圖1所示），單側(cè)腹板張拉共計(jì)2束10?s15.2mm體外索，張拉控制應(yīng)力為0.65fpk=1209MPa，考慮結(jié)構(gòu)受力的圣維南原理，有限元模型建立了8m長的梁段。

圖1 錨固裝置有限元模型

縱橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固裝置與箱梁腹板交界處，數(shù)值為6.255MPa；橫橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固裝置下錨點(diǎn)內(nèi)側(cè)邊緣，數(shù)值為6.088MPa；豎橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固裝置上端靠近翼緣板處，數(shù)值為3.405MPa，三向壓應(yīng)力均集中在錨點(diǎn)位置。錨固區(qū)最大主拉應(yīng)力為13.271MPa，位置出現(xiàn)在上下錨點(diǎn)與腹板交界處，錨后應(yīng)力影響區(qū)域長度約為90cm。錨固區(qū)最大主應(yīng)力云圖見圖2，縱橋向應(yīng)力云圖見圖3。

圖2 錨固區(qū)最大主應(yīng)力云圖

圖3 錨固區(qū)縱橋向應(yīng)力云圖

以上計(jì)算結(jié)果表明，新增錨固裝置與箱梁腹板交界處縱向拉應(yīng)力及主拉應(yīng)力較大，錨固裝置的錨面上部及內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對(duì)拉應(yīng)力較大區(qū)域采取措施，防止錨固裝置受拉破壞

2.2 構(gòu)造優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果，新增錨固裝置與箱梁腹板交界處縱向拉應(yīng)力及主拉應(yīng)力較大，錨固裝置錨面上部及內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大?？紤]到鋼材抗拉壓承載能力較強(qiáng)，因此在錨固區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)可增設(shè)局部鋼構(gòu)件以改善錨固裝置的受力性能，形成鋼-混錨固結(jié)構(gòu)。錨固區(qū)新增鋼構(gòu)件示意圖如圖4所示，據(jù)此建立了相應(yīng)的有限元模型。錨固區(qū)新增鋼板等效應(yīng)力云圖見圖5，錨固區(qū)優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比見表1。

表1 （續(xù)）

圖4 錨固區(qū)新增鋼構(gòu)件示意圖（單位：cm）

圖5 錨固區(qū)新增鋼板等效應(yīng)力云圖

表1 錨固區(qū)優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

由表1可知，錨固區(qū)設(shè)置條件有限，錨固裝置尺寸大小設(shè)置受限，為有效降低局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止混凝土受拉開裂，在錨固區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域通過增加鋼構(gòu)件能有效改善錨固區(qū)及原梁受力性能，實(shí)際施工時(shí)也可在混凝土表面刻槽粘貼錨固鋼板，并在條件允許的情況下盡量與原鋼筋相連接。

3 混凝土錨固的配筋

錨固區(qū)內(nèi)需設(shè)置用以抵抗橫向拉力的錨下鋼筋，一般由螺旋筋、封閉箍筋或兩者共同組成，使錨下鋼筋與錨固區(qū)混凝土共同工作，承受劈裂應(yīng)力，控制局部裂縫，滿足結(jié)構(gòu)的使用要求。同時(shí)，在錨固區(qū)的錨具下應(yīng)預(yù)埋鋼墊板，并設(shè)置間接鋼筋和附加鋼筋。

針對(duì)錨固區(qū)受力特點(diǎn)及傳統(tǒng)方法的局限性，將利用Midas FEA“局部方向內(nèi)力總和”功能確定錨固區(qū)局部內(nèi)力并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，結(jié)合規(guī)范驗(yàn)證實(shí)際工程中錨固區(qū)的配筋狀況。

箱梁及錨固區(qū)局部構(gòu)造如圖6所示，錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力采用5?s15.2mm鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1395MPa，原結(jié)構(gòu)與錨固裝置混凝土標(biāo)號(hào)采用C40，彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0.2，有限元模型如圖7所示。

圖6 錨固區(qū)構(gòu)造圖（單位：cm）

圖7 錨固區(qū)有限元模型

縱橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固裝置端面與箱梁底板倒角交界處，數(shù)值為2.296MPa；橫橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固裝置端部與箱梁腹板交界處，數(shù)值為0.819MPa；豎橋向最大拉應(yīng)力位置基本與縱橋向最大拉應(yīng)力位置相同，稍偏底板側(cè)，數(shù)值為0.884MPa，三向壓應(yīng)力最大均集中在錨點(diǎn)位置。錨固區(qū)最大主拉應(yīng)力為2.732MPa，位置與縱橋向最大拉應(yīng)力位置相同，錨后應(yīng)力影響區(qū)域長度約為60cm。錨固區(qū)最大主應(yīng)力及縱向應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 錨固區(qū)最大主應(yīng)力云圖

圖9 錨固區(qū)縱橋向應(yīng)力云圖

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果計(jì)算配筋，使用程序提供的“局部方向內(nèi)力總和”功能，可以獲得計(jì)算位置的剖面內(nèi)力。

錨固區(qū)受力示意見圖10所示，受力特點(diǎn)有：①錨固區(qū)背面Z方向上的剝離力T1；②錨固區(qū)背面Y方向上的破裂力T2；③錨固區(qū)前和箱梁混凝土翼緣上的張拉T3；④錨固區(qū)下部張拉T4；⑤因預(yù)應(yīng)力偏心布置引起的彎矩張力T5；⑥預(yù)應(yīng)力彎起位置張力T6。

圖10 錨固區(qū)受力示意

錨固區(qū)配筋示意圖如圖11所示，其中F1為針對(duì)T1的配筋；F2為針對(duì)T2,T3的配筋；F3為針對(duì)T4,T5的配筋；F4為針對(duì)T6的配筋。

圖11 錨固區(qū)配筋示意

按照本節(jié)所述方法，利用Midas FEA“局部方向內(nèi)力總和”功能確定錨固區(qū)局部內(nèi)力并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，指導(dǎo)了多座橋梁的加固工程，詳見表2。

表2 理論計(jì)算配筋量和實(shí)橋配筋量比較

5 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力張拉后錨固構(gòu)造區(qū)受力復(fù)雜，除直接承受巨大的壓應(yīng)力外，錨固構(gòu)造與原結(jié)構(gòu)約束界面常出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力及主拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對(duì)拉應(yīng)力較大區(qū)域采取措施，防止錨固裝置受拉破壞，同時(shí)也需重視產(chǎn)生的拉應(yīng)力對(duì)原結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的影響，必要時(shí)需對(duì)原結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加固。

對(duì)于錨固區(qū)配筋較為準(zhǔn)確的方法是通過建立實(shí)體有限元模型確定應(yīng)力并進(jìn)行配筋，但應(yīng)力需通過積分或建立拉-壓桿模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)換為內(nèi)力方可用于直接配筋。本文利用Midas FEA“局部方向內(nèi)力總和”功能相對(duì)準(zhǔn)確地得到了關(guān)鍵截面的內(nèi)力，直接可以用于設(shè)計(jì)配筋，可大幅減少材料浪費(fèi)，錨固區(qū)配筋合理，且經(jīng)多個(gè)工程實(shí)踐得以驗(yàn)證。