體外臨時預應力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設計

黃利勇

（中冶南方工程技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

前言

現(xiàn)代建筑對施工要求越來越高，日益成熟的預制節(jié)段體外預應力技術被越來越多地應用于橋梁建設中。采用預制節(jié)段施工方法進行橋梁建設時，當然要涉及臨時預應力拼裝體系。其中，臨時預應力體系中的預應力筋可以采用鋼絞線或粗鋼筋，其中粗鋼筋體系的錨固結構具有構造簡單、經(jīng)濟實惠、使用便捷、錨固可靠及不劃絲等優(yōu)點，并且裝卸方便，可以重復使用，受到了很多國外建筑工作者的推崇。但目前國內對此方面的研究較少，筆者根據(jù)自己多年工作經(jīng)驗及相關資料的查詢，對體外臨時預應力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設計提出了自己的看法，希望對廣大的建筑工作者提供幫助。

1 鋼錨靴受力理論分析

一般而言，鋼錨靴受到螺紋鋼筋的預壓力及粗鋼筋預壓力等外力作用。當其合力恰好可以通過鋼錨靴剪力齒側面而垂直傳遞到混凝土板時，可以理解為最理想的受力狀態(tài)。建設此時的力全部由鋼錨靴剪力齒的側面?zhèn)鬟f，并且應力在接觸面上均勻分布。當螺紋鋼筋的預應力以及粗鋼筋預應力平移至鋼錨靴的中點，并附加相應的力偶時，為達到理想的受力狀態(tài)，需要滿足合理垂直于剪力齒側面，并且合理偶距需為零，此時將主力分解為大小相等的三個力分別作用在各剪力齒側面便能成為理想的受力狀態(tài)。

2 錨固區(qū)域的傳力路徑及邊界非線性分析

當錨固區(qū)域受力后，混凝土板受到的作用力先是垂直于凹槽設計向受壓側傳遞，接著慢慢改變方向向水平方向傳遞，而距離鋼筋錨固段越遠的凹槽，設計受力面受到的壓力就更大。粗鋼筋預應力通過錨墊板經(jīng)由端板、螺紋鋼筋上墊板、加固塊、頂板以及側板傳至底板，最后傳到剪力齒。由此可見，預應力一直是向剛度大的方向傳遞。另外，通過接觸實驗分析表明，鋼錨靴與梁段的接觸狀態(tài)隨作用力的變化而變化，甚至出現(xiàn)了滑移、脫離的現(xiàn)象，表現(xiàn)出很強的邊界非線性。

3 體外臨時預應力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設計

錨固區(qū)域受力復雜，邊界非線性強，需要對錨固鋼筋的鋼錨靴進行科學設計，以確保鋼錨靴的安全合理性，滿足整個錨固區(qū)域復雜的受力要求。主要需要對鋼錨靴的長度、高度以及安裝位置，剪力齒的傾角、幾何尺寸以及部署形式，螺紋鋼筋預加力的大小和分配進行科學分析，達到對體外臨時預應力粗鋼筋鋼錨靴的優(yōu)化設計。

3.1 鋼錨靴的高度

在保證粗鋼筋張拉尺寸要求的前提下，為了減少預應力所產生的力矩，將粗鋼筋的錨固高度控制的越低越好。得到最合理的錨固高度后，鋼錨靴的高度也就隨著錨固高度的確定而確定。所以，張拉尺寸的要求是影響錨固高度以及鋼錨靴高度的最重要因素。

鋼錨靴剪力齒受壓豎直投影面，在比較理想的受力情況下，混凝土凹槽受壓面的受力和平均應力可以用公式（1）計算。

在P一定的情況下，高度H和橫向長S、齒個數(shù)m的乘積決定平均壓應力，也就是由受壓豎直投影面積來決定的。

根據(jù)公式（2），在P一定情況下，混凝土抗壓強度由m、H、S來決定。

一般情況下，剪力齒高H在4cm左右，太大太小都不是很合適，剪力齒多采用小而密的形式進行設置，這樣可以使各個剪力齒受力均衡。

3.2 鋼錨靴的長度

錨固區(qū)域的受力情況復雜，不僅受粗鋼筋的水平預應力的影響，而且由于粗鋼筋存在一定的錨固高度，使得錨固區(qū)域還要受到粗鋼筋的水平預應力的影響。鋼錨靴的長度要由錨固高度和粗鋼筋水平應力產生的力矩來決定。通過查閱相關資料及理論分析，可以得知鋼錨靴的最小長度需滿足承受水平預應力及其產生的力矩所需最小鋼錨靴長度，而且要取兩者最小值的大者。一般滿足承受抵抗力矩所要求的鋼錨靴長度要大一些，對鋼錨靴優(yōu)化設計有重要作用。

混凝土剪力齒的抗剪強度也可以通過公式計算獲得，可以取近似平均值，只要錨固區(qū)混凝土能夠滿足剪應力（3）,就可以按照公式（4）估算剪力齒的最小寬度D,然后根據(jù)公式（5）估算抗剪鋼錨靴的最小長度。

鋼錨靴長度需要滿足承受水平預應力，以及其受重產生力矩需要鋼錨靴長度最小取值范圍內的較大的數(shù)值。

3.3 鋼錨靴的安裝位置

在懸臂拼裝中，根據(jù)受力特點，鋼錨靴應該在靠近節(jié)段的頂端部位安裝。鋼錨靴距離梁段端點的合適長度為10cm、30cm和50cm。因為鋼錨靴距離輛段端部越遠，根據(jù)力學原理，其拉應力就會越大也越集中。但并不是說距離和拉應力一定成正比，如果太遠也不會產生明顯的效果。隨著鋼錨靴安裝位置遠離，主拉應力大于2.65MPa區(qū)域的體積也會發(fā)生變化，不僅越來越大，而且其分布也會出現(xiàn)不均勻。鋼錨靴距離拉大，約束混凝土就越多，約束作用就勢必要加大，體積加大，分布不均也會帶來一些不利影響。所以，鋼錨靴應該盡量安裝在靠近梁端部位，最好是安置在距離梁端頂部約30cm的地方。

3.4 剪力齒傾角

剪力齒傾斜角度多大最為合適，這需要綜合考慮鋼錨靴和螺紋鋼筋預加力。通過試驗結果可知，剪力齒比較理想的傾斜角度約為63°左右。

表1 剪力齒傾角有限元模型參數(shù)

表2 錨固區(qū)混凝土拉應力情況

剪力齒傾角確定可以用模型參數(shù)試驗確定，設計三組模型進行比較，其中T可以按照公式（7）Pcotθ計算得到相關數(shù)據(jù)。從表1、表2可以看出，隨著傾斜角度的增大，錨固區(qū)混凝土最大拉應力和墊板下混凝土主應力慢慢變小，而傾斜角度越大，最大主應力加大，可最右側凹槽棱邊就越尖，應力集中也更厲害。因此，綜合考慮各個模型試驗數(shù)據(jù)情況，確定鋼錨靴剪力齒傾斜角度以63°為宜。

3.5 螺紋鋼筋預壓力

螺紋鋼筋預加力的大小與墊板下混凝土局部承壓和螺紋鋼筋自身承載力有關，一般情況下，螺紋鋼筋直徑取25mm或者32mm,那么，單個螺紋鋼筋的設計值為22-63t。所以，螺紋鋼筋總設計值要小于錨固區(qū)局部壓力設計值。在具體設計時，還要注意一點，粗鋼筋在應力作用下螺紋鋼筋受力會增大，而螺紋鋼筋兩端受力不均衡，有可能會一端大一端小。

結語：鋼錨靴安置合適位置，對懸臂拼裝非常重要，鋼錨靴與梁段的接觸也會表現(xiàn)出很強的邊界非線性。在滿足粗鋼筋張拉尺寸要求的情況下，鋼錨靴的粗鋼筋錨固位置越低越好。找到最佳剪力齒傾斜角度也非常重要，這些技術參數(shù)都反映體外臨時預應力鋼錨靴粗鋼筋的優(yōu)化設計。

[1]陳夏春,陳德偉.體外臨時預應力粗鋼筋鋼錨靴優(yōu)化設計[A].第十九屆全國橋梁學術會議論文集（下冊）[C],2010年.

[2]徐棟,項海帆.體外預應力橋梁的力學性能及其影響因素[J].橋梁建設,1999年03期.

[3]劉少兵.體外預應力混凝土結構耐久性防護問題體[J].鐵道科學與工程學報,2007年04期.