預應力混凝土箱梁底板錨固塊構造及其受力性能

樊俊亮

（甘肅省公路建設管理集團有限公司 甘肅蘭州 730030）

預應力混凝土箱梁底板錨固塊構造及其受力性能

樊俊亮

（甘肅省公路建設管理集團有限公司 甘肅蘭州 730030）

為了對不同情況下的構造預應力混凝土箱梁底板錨固塊在預應力鋼束根數不同的情況下受力性能的揭示，本文針對幾種典型的大跨度預應力混凝土箱梁底板的錨固塊構造進行了統計和分析，并通過有限元軟件的使用實現了對構造不同的錨固塊的模擬，同時針對以下幾種情況展開了分析：①錨固塊受到預應力筋作用時相應區域混凝土的受力性能；②參數化分析了影響錨固塊受力性能的因素；③對不同預應力束數對應的箱梁底板上、下緣進行配筋，并根據規范進行驗算。從而得到預應力混凝土箱梁底板錨固塊張拉預應力鋼束時的受力特點，確定了影響錨固塊受力性能的關鍵因素，并給出了合理的底板錨固區配筋形式，可為設計計算同類橋梁的底板錨固塊構造提供參考。

預應力；混凝土；箱底板；錨固快；構造

1 引言

在體外預應力混凝土橋梁中，體外束常常通過突出于箱梁內壁上的矩形錨固塊錨固。由于體外預應力僅僅依靠錨固塊承受，一個錨固塊承受的荷載通常在幾百噸量級，一旦錨固塊受損，后果極其嚴重。因此，體外預應力混凝土橋梁錨固塊必須比一般體內預應力混凝土橋梁錨固構造安全系數更大。錨固塊是體外預應力混凝土橋梁的關鍵構造之一，其結構的合理性對橋梁的疲勞、耐久性、承載能力起著至關重要的作用。

2 鋸齒塊關鍵構造參數統計

2.1 鋸齒塊構造

錨固鋸齒塊構造位于混凝土頂、底板上。預應力鋼束在錨固端一般會彎起一定角度，鋸齒塊要保證錨固端與鋼束垂直。因此鋸齒塊一邊和鋼束彎起角度平行；另一邊位于鋼束錨固端，與鋼束垂直。鋸齒塊寬度依據橫向鋼束股數而定，股數越多橫向寬度越大。

2.2 兩座有代表性橋梁的統計結果

一般情況下，混凝土板配置上下兩層直徑為25mm的鋼筋，鋼筋根數和鋼束根數呈正相關。距離鋸齒塊較近的一層鋼筋較長，長度達到7m，包含整個鋸齒塊區域并向兩側延伸1～2m；距離鋸齒塊較遠的一層鋼筋相對較短，長度一般在4～5m，同樣包含整個鋸齒塊區域，并向兩側延伸。

2.3 分析選取參數

工程中常用的頂板錨固鋸齒塊高度和寬度相對固定，略大于錨頭的尺寸，保證預應力鋼束能夠正常錨固。變化的參數一般為鋼束根數、混凝土板厚、鋼束彎起角度和鋼束彎起半徑。通常情況下，選取鋼束根數為12根、混凝土板厚22cm、鋼束彎起角度15°、鋼束彎起半徑5m的鋸齒塊作為基準鋸齒塊進行對比分析。

3 分析方法

3.1 有限元模擬方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS進行結構受力性能參數化分析，對錨固鋸齒塊進行模擬。其中混凝土采用SOLID65單元進行模擬，預應力鋼筋采用LINK8單元進行模擬。

3.2 約束和荷載

考慮到約束條件對錨固鋸齒塊受力會有一定影響，為盡量減小約束的影響，將約束設置在縱、橫橋向距離鋸齒塊兩邊各4m的位置（該距離大于鋸齒塊本身x方向尺寸），約束住模型x方向兩端節點所有自由度進行計算。預應力鋼束和混凝土之間采用約束方程的方法進行約束。

4 錨固鋸齒塊受力性能影響因素

為方便計算結果之間比較，將計算得到的混凝土底板上、下緣中間位置的主拉應力（即坐標y＝0、z＝0和y＝0、z＝－hc位置的所有節點主拉應力）作為比較對象。

4.1 鋼束根數

這里給出的主拉應力為未配置縱向鋼筋時混凝土的主拉應力，僅為分析錨固塊在預應力鋼絞線張拉作用下受力特點。實際工程中在錨固塊配置普通鋼筋后，混凝土主拉應力會大幅減小。配置適當鋼筋后，各個截面承載力符合規范要求。

4.2 混凝土底板板厚

計算得到不同混凝土底板板厚對應的混凝土上、下緣主拉應力分布趨勢和不同鋼束根數對應的趨勢基本相同。通過計算可以發現，混凝土上、下緣對應最大的主拉應力位置基本相同。因此這里僅給出采用不同混凝土底板板厚混凝土底板上、下緣主拉應力最大值與對應板厚的關系。也就是說混凝土底板上緣（即預應力鋼絞線錨固一側）最大的主拉應力大于混凝土底板下緣最大的主拉應力。隨著混凝土底板板厚增加，混凝土主拉應力逐漸減小，但小幅度很小。其中板厚22cm時對應的混凝土底板上緣混凝土主拉應力最大值為10.3MPa；當板厚增加到28cm時，對應的上緣混凝土主拉應力最大值減小為9.9MPa，僅減小3.9％。下緣混凝土最大的主拉應力由22cm對應的5.6MPa下降到28cm對應的5.6MPa，減小10.7％。由此說明，混凝土底板板厚對混凝土底板錨固區域受力的影響較小。

4.3 彎起角度

不同彎起的角度會引起錨固塊尺寸的變化。同樣高度的錨固塊，彎起的角度越小，對應的錨固塊長度越大。由圖中可以看出，鋼束彎起的角度在10～15°范圍內，隨著彎起的角度增加，混凝土底板上緣主拉應力最大值逐漸減小，下緣的主拉應力最大值逐漸增加，主拉應力最大值變化的幅度很小。彎起的角度增大到20°時，上緣的主拉應力最大值增大為11.2MPa，較15°對應的10.3MPa增大了8.7％，增幅也比較小。通過以上計算分析得到，鋼束彎起的角度對混凝土底板受力影響較小。彎起的角度15°是一個對混凝土底板受力較有利的選擇。

4.4 彎起半徑

如圖1所示為鋼束彎起的半徑與混凝土主拉應力最大值對應關系。由圖中可以看出，鋼束彎起的半徑在6～8m范圍內，隨著彎起的半徑增加，混凝土底板上緣主拉應力最大值逐漸增大，下緣的主拉應力最大值逐漸減小，主拉應力最大值變化的幅度很小。彎起的半徑增大到8m（工程中已經十分少見）時，上緣的主拉應力最大值增大為10.9MPa，較8m對應的10.3MPa增大了5.8％，增幅也比較小。通過以上計算分析得到，鋼束彎起的半徑對混凝土底板受力影響較小。彎起半徑6m是一個對混凝土底板受力較有利的選擇。

圖1 鋼束彎起半徑與混凝土主拉應力最大值對應關系

5 結語

通過對兩座典型預應力混凝土箱梁中選用的鋸齒塊進行歸納，參數化分析了不同構造及鋼束根數對鋸齒塊受力性能的影響，并對鋸齒塊及附近區域進行了截面驗算和配筋，得到如下結論：

（1）現有錨固鋸齒塊的構造基本合理，依據實際情況對錨固鋸齒塊的尺寸進行小幅修改對錨固鋸齒塊受力無太大影響。

（2）錨固鋸齒塊中張拉的預應力鋼束根數對鋸齒塊受力起決定性作用，應根據實際張拉的預應力鋼束根數對鋸齒塊進行配筋。

（3）根據有限元計算及對截面配筋的結果，鋸齒塊與底板交界靠近張拉端的位置底板上緣的混凝土及鋸齒塊中間位置對應底板的下緣混凝土受到較大拉應力。相應的鋸齒塊位置底板應對稱配置適量鋼筋防止底板開裂。

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U442

A

1004-7344（2016）23-0143-02

2016-7-27

樊俊亮（1988-），男，助理工程師，本科，畢業于蘭州理工大學土木工程學院，道路橋梁專業，主要從事高速公路修建管理工作。