大噸位錨下局部應力的試驗研究

徐闖

摘要：以黑龍江省林泉公路通河松花江大橋錨下處理為依托，選取最大懸臂長時的施工階段為計算分析對象，通過建立等高、等厚、等長的節段模型，設置相同的鋼束，只考慮最不利狀態下腹板懸澆束與頂板懸澆束間的合成作用，得到應力、應變數據，結合模型分析，總結出大跨徑箱梁腹板、頂板大噸位錨下受力特性及規律：張拉頂板預應力束時，在距離錨墊板范圍約25cm處，混凝土橫向和豎向拉應力較大，此處受力最不利；腹板束薄腹板處錨下豎向拉應力為其主要控制應力。在設計中，錨下混凝土在大噸位預應力作用下，除了布置螺旋箍筋，還必須增加橫向連接鋼筋使螺旋箍筋與腹板兩側鋼筋網片形成封閉箍筋籠，且應加密。由此既能提高錨下混凝土承壓的能力，又能提高腹板混凝土保護層的抗裂性能。

關鍵詞：大跨徑箱梁；大噸位；錨下；局部應力

中圖分類號：S77；TU7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005x（2015）04-0140-04

大跨徑連續箱梁橋在懸臂澆筑施工過程中，大噸位集中預加力作用于箱梁頂板、腹板上，錨下局部承壓區的受力狀況較為復雜。總結大跨徑連續箱梁大噸位錨下腹板、頂板受力規律和特性，確保大橋錨下混凝土在大噸位張拉力作用下不出現開裂，確定合理的施工工序及錨下處理方案，對優化設計及指導施工有很大的作用。

本文以黑龍江省林泉公路通河松花江大橋錨下處理為依托，研究大噸位錨下受力規律及處理方案。

1 工程概況

1.1 橋梁簡介

通河松花江大橋橋梁全長2578.28 m。主橋結構為預應力混凝土連續箱梁跨徑布置為63+4×ll0+63m，橋梁全寬21.5m，雙向共四車道。主梁采用單箱雙室斷面，墩頂梁高6m，跨中梁高2.5m。

主橋采用懸臂澆筑平衡法施工，每個T墩分為20個節段（0～19號），每個節段上箱梁底按直線變化，懸澆長度依次為2.0 ～3.75m，中跨合攏段長度為2m，邊跨為1.5m，邊跨現澆段長度為7.5m。

1.2 縱向鋼束布置

通河大橋主梁縱向預應力采用大噸位群錨體系，本次僅研究縱向鋼束。縱向鋼束布置如圖1所示。

2 特征實驗節段選擇

由于懸澆束和合攏束集中力的作用方向相反，研究錨下局部應力選取最不利特征節段時，不考慮懸澆束和合攏束效應的疊加，只考慮腹板懸澆束與頂板懸澆束間的合成作用。

采用SAP2000（Ver 10.0）分析軟件中的橋梁分析模塊，選取最大懸臂長時的施工階段為計算分析對象。驗證在各鋼束的綜合作用下，各截面的正應力變化如圖2所示。

由圖2可以看出，在9號塊和15號塊附近（即F9-1、F15鋼束附近截面），由于截面尺寸、鋼束數量發生了變化，截面的正應力發生了明顯的變化。由此說明，F9-1、F15鋼束附近截面的應力變化較大，應作為模型試驗的特征節段。

3 模型試驗及數據分析

3.1 試驗模型

以通河松花江大橋實際斷面尺寸為基礎，本次模型進行足尺模型設計。對稱性是單箱雙室截面特征，試驗模型也設計為對稱的單箱單室截面。模型高度取9號梁段實際高度3.7m，模型兩側腹板分別代表9和15號梁段腹板厚度50cm與60cm，頂板厚度取為30cm，腹板與頂板承托均按施工圖圖紙取值，整個試驗模型長10m。如圖3所示。

試驗模型內共布置3束φs15.2-19、2束φs15.2-17、2束φs15.2-15鋼絞線。其中腹板寬度50 cm側是為試驗頂板鋼束錨下應力設計，頂板布置2束φs15.2-15鋼絞線，腹板布置1束φs15.2-19鋼絞線；腹板寬度60cm側是為試驗雙腹板鋼束錨下應力設計，腹板布置2束φs15.2-19鋼絞線；底板齒板布置2束φs15.2-17鋼絞線。

3.2 縱向錨下應力試驗結果

通過試驗數據發現，每根鋼束張拉時，變化較大的只有布置在該束錨下的應力應變測點，其余位置處應變測點僅有極小變化，為了便于分析比較，根據有限元計算結果，給出相應測點的應變的理論值。

3.2.1 預埋測點（以頂板束為例）

根據試驗結果，除了極少幾個測點以及錨端的第一個截面外，其余各點實測值與理論值誤差都小于25qo。處于錨下第一個截面的縱向壓應力和應變的理論值遠大于實測值，這主要是因為有很大一部分的壓應力轉移到了錨墊板下的喇叭管上，如圖4所示。

3.2.2 表面測點（以腹板束為例）

由表1可以看出，縱向應變的實測值與理論值接近，預應力筋附近縱向壓應變較大。

3.3 理論分析

（1）頂板束。選取頂板鋼束S1張拉時其錨下相應控制點的應力變化情況如圖5所示。

由圖5可以看出，縱向壓應力最大值處于張拉端下方孔道周邊處，值為33.72MPa，隨著遠離端面，外部荷載對于錨下混凝土的縱向壓應力漸次減小，至端面大約1.5m處，其值逐漸穩定在2.0MPa左右。

（2）腹板束。試驗模型布置了兩個頂板束Fl和F2，選取Fl錨下相應控制點應力的變化，其錨下混凝土的三向應力傳遞分布如圖6所示。

由圖6可以看出，縱向的壓應力的應力集中出現在端面下方的孔道周邊，值為46.64MPa，隨著遠離端面，外部荷載對于錨下混凝土的縱向壓應力漸次減小，至張拉端約2.0m處，其值逐漸穩定在2.0MPa左右。

4 結論

通過測試與分析通河松花江大橋試驗模型錨固區附近混凝土的應變，結合有限元模型數值分析，得出以下結論：

張拉頂板預應力束時，錨下各個點混凝土應變值與張拉預應力值基本上成線性關系，錨墊板下混凝土處在彈性工作狀態，錨下的混凝土受力安全。在距離錨墊板范圍約25cm處，混凝土橫向和豎向拉應力較大，此處受力最不利；其它位置應力較小。

腹板束薄腹板處錨下豎向拉應力為其主要控制應力，在設計中要采取適當措施，防止腹板出現沿預應力孔道的裂縫。腹板束錨下混凝土在大噸位預應力作用下，除了布置螺旋箍筋，還必須增加橫向連接鋼筋使螺旋箍筋與腹板兩側鋼筋網片形成封閉箍筋籠，且應加密。由此既能提高錨下混凝土承壓的能力，又能提高腹板混凝土保護層的抗裂性能。