超高強度預應力體系UHPC錨固區局部受力分析

李旺旺

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室， 北京 100081

UHPC是一種具有超高抗壓強度、優異抗拉強度和良好耐久性的水泥基復合材料［1-3］，且在國內外橋梁工程中已有部分應用。1997年加拿大學者最早采用UHPC材料建造了60 m跨度人行橋，近年來中國學者將UHPC成功應用于洞庭湖大橋、馬房大橋、佛陳大橋等橋面鋪裝層，UHPC材料具有良好的應用前景。

隨著鋼鐵冶煉技術的提升和鋼材加工工藝的發展，國內外預應力技術水平不斷提升，日本、韓國部分工程使用的預應力鋼絞線強度已達2 400 MPa級，可有效節省預應力鋼材用量，提升工程結構的技術經濟性［4］。預應力體系強度提高后，局部錨固區將承受更高的局部應力，對局部受力區錨固體系和混凝土性能的要求也相應提高。

UHPC可很好地適應預應力錨固區超出80 MPa的高應力狀態，提高結構的受力性能和耐久性，國內外已有部分學者對UHPC局部受壓性能進行了探索。馮崢等［5］將UHPC應用于密集橫隔板箱梁錨固區開展足尺模型試驗，結果表明UHPC在局部受力區可有效控制裂縫和發揮其抗壓強度。楊俊等［6］對UHPC齒塊局部進行承壓性能試驗，通過有限元法探究了UHPC錨固區尺寸效應，結果表明UHPC可顯著提升齒塊局部抗裂和極限承載力。Choi等［7］研究了后張預應力UHPC梁錨固區局部受壓性能，并對錨下鋼筋進行了參數化分析，結果表明應用UHPC后可適當簡化錨下鋼筋布置。

預應力體系強度提高后，UHPC在錨固區的局部受力性能尚不清楚，錨固體系、鋼筋配置和錨孔間距對錨固區受力性能的影響需要深入研究。本文通過建立UHPC錨固區局部受力有限元模型，對超高強度預應力作用下UHPC錨固區局部受壓進行參數化分析。在優化錨墊板形式的基礎上，分析間接鋼筋配置、局部尺寸、錨孔間距等因素對UHPC錨固區局部受壓性能的影響。

1 超高強度預應力體系UHPC結構參數

1.1 超高強度預應力體系

我國高強度盤條及預應力鋼絞線的技術研發已經成熟，具備研發新一代強度等級為2 200 ~ 2 400 MPa預應力鋼絞線的技術及應用條件。通過對2 200 ~2 400 MPa等級的超高強度鋼絞線和錨固體系開展系統研究，發現各項性能均滿足技術標準要求，可在工程結構中予以應用。

UHPC與2 400 MPa等級預應力鋼絞線性能具有很好的匹配適用性，本文以2 400 MPa鋼絞線為主要分析對象，2 200 MPa作為對比項。超高強度預應力體系參數見表1。

表1 超高強度預應力體系參數

1.2 UHPC材料

根據文獻［8-9］確定UHPC材料的力學參數：立方體抗壓強度為150 MPa，軸心抗拉強度為7.2 MPa，軸心抗壓強度為105 MPa，彈性模量為43.5 GPa。實際UHPC結構中材料性能不應低于上述指標。

2 錨固區分析模型及控制標準

2.1 錨固區分析模型

按照Q/CR905—2022《鐵路工程預應力鋼絞線用夾片式錨具、夾具和連接器》［10］中傳力試驗的試件尺寸建立混凝土三維模型，采用布爾幾何方法建立鋼錨墊板幾何模型，螺旋筋、箍筋、縱筋均采用線單元模型。UHPC局部錨固區分析模型見圖1。混凝土采用有限元彈塑性損傷本構模型，UHPC考慮受拉本構關系，錨墊板及鋼筋采用雙線性彈塑性本構關系。混凝土、墊板采用三維六面體縮減積分單元，鋼筋采用三維桿單元。混凝土單元長、寬、高均為20 mm，鋼筋單元長25 mm，錨墊板單元長、寬、高均為10 mm。

圖1 UHPC局部錨固區分析模型

2.2 構件控制標準

基于UHPC材料的受力性能和混凝土局部受壓區構件控制標準［10］，提出超高強度預應力體系UHPC錨固區構件控制標準。

1）構件承載能力要求：構件極限承載力應不低于1.2Fptk（Fptk為設計荷載），構件加載至1.2Fptk時不得出現因負剛度引起的不收斂現象，局部受壓應力不大于UHPC抗壓強度。

2）混凝土開裂控制要求：構件加載至1.0Fptk時控制混凝土試件的拉應力不超過UHPC抗拉強度。

3）錨墊板塑性變形要求：在1.0Fptk時控制等效塑性應變總體不超過1.0%。

3 錨固區局部受力計算結果

3.1 錨墊板結構優化

根據普通混凝土錨固區錨墊板結構形式（M‐1），采用減小板厚、減小板寬和改變結構形式的方式對錨墊板形式進行優化，分析不同錨墊板結構形式下UHPC錨固區受力性能是否滿足控制標準。

3.1.1 錨墊板設計參數

針對2 200、2 400 MPa級鋼絞線參數，以普通混凝土錨固區錨墊板結構為基礎，設計5種結構形式，其截面形式及豎向剖面尺寸見圖2，設計參數見表2。

圖2 錨墊板豎向剖面尺寸（單位：mm）

表2 錨固區不同錨墊板設計參數

3.1.2 錨墊板受力分析

由于不同形式錨墊板分析結果類似，以M‐5錨墊板分析結果為例進行說明。M‐5錨墊板試件加載至1.0Fptk時，混凝土側面的主拉應力為4.99 MPa，滿足控制標準中混凝土開裂控制要求，見圖3（a）。鋼錨墊板的最大等效塑性應變為0.62 × 10-2，滿足控制標準中錨墊板塑性變形要求，見圖3（b）。加載至1.2Fptk時，M‐5錨墊板剛度未出現負剛度和不收斂現象，見圖3（c）。主壓應力為123.01 MPa，滿足控制標準中構件承載能力要求，見圖3（d）。

圖3 錨固區局部受壓計算結果

不同錨墊板形式下UHPC錨固區受力計算結果見表3。其中，M‐1—M‐3模型是一個系列，M‐4—M‐6是一個系列。可知：①隨著錨墊板體積減小，構件主壓應力有增大趨勢。與M‐1相比，M‐2混凝土主拉應力和錨墊板塑性應變均顯著增大。②隨著錨墊板結構質量減小，混凝土主拉應力和錨墊板塑性應變無明顯變化趨勢。③M‐5錨墊板各項分析指標滿足制標準要求，是UHPC錨固區較為合理的錨墊板形式，且其質量僅為普通混凝土錨墊板質量的35%。

表3 不同錨墊板形式下UHPC錨固區受力計算結果

3.2 間接鋼筋

以2 400 MPa級鋼絞線參數和M‐5錨墊板形式為基礎，分析超高強度預應力UHPC局部錨固區縱向鋼筋、箍筋和螺旋筋對UHPC局部受力性能的影響。

3.2.1 間接鋼筋設計參數

既有箱梁（通橋2322A‐2016）梁端錨固區縱筋截面比為0.71%，箍筋配筋率為208 kg/m3，據此設計UHPC錨固區間接鋼筋參數，螺旋筋采用HPB300級鋼筋，箍筋和縱筋采用HRB400級鋼筋，見表4。其中，R‐1按Q/CR905—2022要求的間接鋼筋配置，R‐2按既有箱梁（通橋2322A‐2016）錨固區間接鋼筋配筋率配置，R‐3—R‐6采用本文設計參數。

表4 錨固區不同間接鋼筋設計參數

螺旋筋內徑是錨下局部結構重要設計參數，為分析螺旋筋不同內徑情況下UHPC結構局部受力性能，對螺旋筋相關參數進行設計。各組構件縱筋截面比均為0.23%，箍筋配筋率均為99 kg/m3。錨固區不同螺旋筋內徑見表5。

表5 錨固區不同螺旋筋內徑參數

3.2.2 間接鋼筋受力分析

不同間接鋼筋設計參數下UHPC錨固區受力計算結果見表6。由表4和表6可知，隨著間接鋼筋配筋率減小，錨固區混凝土主拉應力增大，主壓應力和鋼墊板塑性應變無顯著變化。

表6 不同間接鋼筋設計參數下UHPC錨固區受力計算結果

不同螺旋筋內徑下UHPC錨固區受力計算結果見表7。由表5和表7可知，隨著螺旋筋內徑增大（250 ~ 350 mm），錨固區混凝土主拉應力增大，主壓應力和鋼墊板塑性應變無顯著變化。說明螺旋筋內徑對UHPC錨固區受力性能影響較小，在實際結構中可根據螺旋筋配置條件靈活調整內徑尺寸。

表7 不同螺旋筋內徑下UHPC錨固區受力計算結果

3.3 錨固區結構尺寸

預應力錨下結構尺寸是控制梁端結構受力性能的關鍵參數，以2 400 MPa級鋼絞線參數和M‐5錨墊板為例，采用有限元法分析UHPC錨固區結構尺寸減小后錨固區結構的受力性能。

3.3.1 錨固區結構設計參數

Q/CR905—2022中規定2 400 MPa預應力等級對應的錨固區構件尺寸為440 mm（長） × 440 mm（寬） ×880 mm（高），以此為基礎分析不同錨固區結構尺寸下UHPC錨固區受力性能。構件設計參數見表8。

表8 不同錨固區結構尺寸下設計參數

3.3.2 錨固區結構受力分析

不同錨固區結構尺寸下UHPC錨固區受力計算結果見表9。由表8和表9可知，隨著結構尺寸減小，錨固區混凝土主拉應力顯著增大，主壓應力和鋼墊板塑性應變無顯著變化趨勢。這表明結構尺寸對錨固區主拉應力有重要影響，在減小錨固區結構尺寸時需相應提高UHPC抗拉強度，以滿足控制標準要求。

表9 不同錨固區結構尺寸下UHPC錨固區受力計算結果

3.4 錨孔間距

UHPC應用于超高強度預應力體系后，多錨孔情況下錨孔間距對錨固區受力性能有重要影響。因此，建立雙錨孔受力有限元模型對錨孔間距進行參數化分析。

3.4.1 錨孔間距設計參數

既有箱梁（通橋2322A‐2016）梁端錨孔間距為350 mm，以此為基礎分析不同錨孔間距下UHPC錨固區受力性能。錨固區設計參數見表10。

表10 不同錨孔間距下錨固區設計參數

3.4.2 錨孔間距受力分析

不同錨孔間距下UHPC錨固區受力計算結果見表11。由表10和表11可知，隨著錨孔間距的增大，錨固區混凝土主壓應力、主拉應力和鋼墊板塑性應變均先減小后增大，雙錨孔情況下較為合理的錨孔間距范圍為300 ~ 350 mm。

表11 不同錨孔間距下錨固區受力計算結果

4 結論

1）UHPC材料具有超高的力學性能，應用于超高強度預應力體系錨固區可提高混凝土抗拉強度、減小間接鋼筋配筋率和減少錨墊板質量。基于UHPC材料力學性能，提出適用于UHPC錨固區的受壓控制標準。

2）UHPC應用于錨固區后，2 400 MPa等級預應力錨墊板形式可由雙層結構減小為單層結構，錨墊板頂部環形承壓板厚度由16 mm減小為10 mm，豎向支撐板厚度由17 mm減小為10 mm，質量比原來減小了65%。

3）間接鋼筋配筋率減少后，混凝土主拉應力有增大趨勢，主壓應力和鋼墊板塑性應變無顯著變化；錨固區結構厚度減小，混凝土主拉應力顯著增大，主壓應力和鋼墊板塑性應變無顯著變化。

4）隨著錨孔間距增大，錨固區混凝土主壓應力、主拉應力和鋼墊板塑性應變均先減小后增大。