大吨位预应力锚垫板设计

第24卷第5期2008年5月

[文章编号]1002 8528(2008)05 0074 04

建 筑 科 学

BUILDINGSCIENCE

Vol 24,No 5May2008

大吨位预应力锚垫板设计

吴辉琴,林桂武,谢肖礼,林居章,陈建国

1

1

2

3

3

(1.广西工学院土木建筑工程系,广西柳州545006;2.广西大学土木建筑工程学院,南宁510004;3.广西柳州市威尔姆预应力有限公司,广西柳州545006)

[摘 要]随着桥梁技术的发展,大吨位锚具的应用在不断增加,巨大的预压力将通过锚具及其下面积不大的垫板传递给混凝土,引起很大的局部应力。为保证锚垫板下混凝土的局部承压强度满足承载力要求,必须设计受力合理的锚垫板。本文以四渡河特大桥方案为工程背景,利用有限元分析软件ANSYS模拟分析锚垫板在张拉预应力过程中的局部应力分布规律,以此为据改变锚垫板的结构型式,改善锚下混凝土应力分布情况,探索大吨位锚具局部承压可靠的方法。

[关键词]大吨位锚具;应力分布;锚垫板设计

[中图分类号]TU757.2;U445.47+1 [文献标识码]A

DesignoftheAnchorPlateunderLargeTonnagePre Stress

WUHui qin,LINGui wu,XIEXiao li,LINJu zhang,CHENJian guo

1

1

2

3

3

(1.DepartmentofCivilEngineering,GuangxiUniversityofTechnology,Liuzhou545006,Guangxi,China;2.DepartmentofCivilEngineering,GuangxiUniversity,Nanning510004,China;3.LiuzhouVLMPrestressingCo.Ltd.,Liuzhou545006,Guangxi,China)

[Abstract]Asthetechniqueofbridgedevelops,thelargetonnageanchoragehasbeenusedontheincrease.Concreteshouldbesustainedgreatprepressurethroughanchorageandplate,leadingtolargepartialpressure.Inordertomaketheconcreteundertheanchorplatebeingstrongenoughtosupportthelargepartialpressure,theanchorplateshouldbematched.TakingtheprojectoflargebridgeofSi DuRiverasanexample,thispaperanalyzesthedistributiondisciplineofthelocalstressoftheanchorplatepre stressedwithlocalizedtendonsbysimulationwithANSYS,andexploresthereliablesolutionsofpartialpressureoflargetonnageanchoragebychangingthestructureofanchorplateandimprovingthestressdistributionofconcreteunderanchorplate.

[Keywords]largetonnageanchorage;stressdistribution;designoftheanchorplate

1 引 言

预应力混凝土悬索桥具有受力合理、造型美观、用料省、轻便等特点,在各种体系的桥梁中,其跨越能力是最大的。随着预应力技术的发展、锚具不断地改进,设计、施工水平持续提高,当前悬索桥的跨径已经超越了1000m。但跨径大、悬索自重轻,需采用大吨位的钢绞线和锚具,才能满足桥梁受力和构造要求,因而也相应地带来一系列的设计问题。其中施工过程中大吨位集中预加力通过锚具及其下面不大的锚垫板传给混凝土时,引起锚下局部承压区

[收稿日期]2007 09 25

[基金项目]广西自然科学基金项目(桂科自:0066002)

广西自然科学基金项目(桂科自:0481002)

[作者简介]吴辉琴(1965 ),女,硕士,副教授[混凝土裂缝、桥梁耐久性受到影响,或者支座内部锚具附近产生局部拉应力,导致腹板开裂问题等尤为明显,给预应力锚固区局部构造设计增加了难度。本文以四渡河特大悬索桥锚垫板设计为工程背景,应用结构设计软件ANSYS,通过分析该桥锚垫板下混凝土应力分布规律,探讨大吨位锚具下锚垫板的设计方法。

2 工程概况

四渡河特大桥是一座单跨双铰钢桁架加劲梁悬索桥,它横跨于湖北沪蓉西高速公路中一个 V 型深切峡谷上,跨径布置为900+5 40m,为目前国内最大的;主塔距谷底有650m深,被誉为迄今世界上最高的桥;大桥使用的锚碇预应力系统为环氧填充型钢绞线加防腐油脂的单根可换式体系(钢绞线强

2

第5期吴辉琴,等:大吨位预应力锚垫板设计

75

料要求,设计单位选用了广西柳州市威尔姆预应力有限公司(简称VLM公司)生产的VLM15 19孔和VLM15 37孔锚具和专用夹片及与之配套的MD15 19D和MD15 37D型后锚面锚垫板(图1),经理论计算和实验测试,锚具和夹片的安全系数、锚固性能、疲劳性能、可靠度等均满足设计和施工要求。

由于桥的跨距很大,施工时必须施加大吨位的预加力才能保证桥梁使用过程中的可靠与稳定。因而在锚垫板下混凝土形成了较高的局部接触压应力和横向拉应力,且应力分布不均匀,峰值较大,它可能使构件局部承压区产生不可闭合的纵向裂缝,引起局部破坏或锚垫板的破坏。随着荷载的长期作用,裂缝尖部将不断往纵深发展,严重影响结构的耐久性。为此我们应用结构设计软件ANSYS对锚垫板及锚下混凝土进行有限元分析,并根据国际预应力协会(FIP)规定的条款进行了一系列实验,研究悬索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质要求,以保证锚垫板的可靠和锚下混凝土的局部抗压承载力

[1,2]

取单个锚具隔离体分析锚下混凝土应力,因此对于37孔的锚具,锚下混凝土块的模型尺寸取为1m 1m 1 5m。假定混凝土为线弹性材料,其弹性模量为3 25 10MPa。MD15 37D型后锚面锚垫板大样见图1,所建的有限元模型见图2。

4

图1 MD15 37孔右锚面锚垫板示意图

。

3 MD15 37D型后锚面锚垫板应力分析

由结构分析知:局部承压混凝土处于复杂应力

状态中,局部措施不同可导致不同的破坏形态。当张拉设计吨位、锚具布置位置和锚下混凝土等级确定后,锚垫板的结构型式将直接影响到锚下混凝土的应力分布状况,从而影响锚垫板的安全可靠和正常使用。以MD15 37D型后锚面锚垫板为例,本文从分析原型锚垫板下混凝土三维应力着手,通过分析局压区内混凝土的空间应力分布状况,应力峰值的位置与大小等,来调整锚垫板的型式,控制锚下混凝土的裂缝和局部受压破坏。

3 1 模型建立

锚下混凝土应力分析采用空间有限元程序ANSYS,计算对象为VLM公司生产的MD15 37D型后锚面锚垫板。计算工况为结构自重+纵向预加力,将8267kN预加力换算为环面荷载作用于锚板单元,强大的预加力经锚垫板传到锚下混凝土。选三维空间实体建模,考虑预应力孔道,将钢锚具与混凝土同时划分单元,分析锚下局压区内的三维空间应力状况。锚垫板采用实际尺寸,其弹性模量为2 0

5

10MPa。锚下混凝土为C40(轴心抗压强度标准

值ck=,图2 整体结构和锚垫板结构分析模型

3 2 计算结果分析

将有限元分析数据处理后,得到任意单元节点上六个应力分布规律,包含 x、 y、 z、 xy、 yz、 xz;也可得到单元的主应力 1、 2、 3。考虑设计需要,仅取最大主应力 1和最小主应力 3进行分析比较,确定锚垫板的结构型式。

分析结果表明,常规锚垫板下混凝土最大主应力值 1为17 0MPa,出现在喇叭管垫板上侧混凝土表面;拉应力出现在锚头张拉后;混凝土表面因约束而产生承压面下凹变形。分析发现在拉应力集中区域,拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度,但作用区域很小,考虑到应力超过抗拉强度后,应力释放并重新分布,结构设计上可通过在锚垫板内部设立螺旋,

76

建筑科学

第24卷

锚下混凝土最小主应力值为-64 9MPa,发生在以锚心为圆心,喇叭管垫板与管颈壁转角的部位,影响范围比较小,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。锚下混凝土的压应力大大超过了材料抗压强度的容许值。因而需要对原型锚垫板的结构型式

[3 4]

进行改制设计。

应力值为-43 0MPa,出现在倒数第2个阶梯附近的混凝土表面,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。与MD15 37D方案比较,最大值 1增加了3 2MPa,最小值 3减少了21 9MPa,锚垫板改进效果十分显著。

4 锚垫板的设计

4 1 设计方案一

原型锚垫板方案只有两层垫板,锚下混凝土压应力过大,说明锚垫板没有充分发挥其传力的作用。经分析,混凝土的最大、最小应力的位置及竖向截面

应力分布云图、锚垫板等效应力云图等,在不改变锚垫板的材料属性和其他前提条件下,通过改变锚垫板型式,即增加一层垫板,并在第1、2层垫板间增加四个肋板来增强垫板间力的传递;将底层垫板改为平整状,增加锚垫板和混凝土的接触面积,可达到减小应力,保证局部抗压强度的目的。优化后的锚垫板型式见图3

。

图4 方案二的锚垫板型式示意图(mm)

4 3 方案选择

模拟计算结果表明,两种设计方案均能有效地减小混凝土的局部压应力,产生的最大主拉应力发生在顶部的混凝土表面,最小主压应力发生在锚垫板偏下部位。预压应力从锚垫板开始往下呈逐步扩散的趋势,当距顶面1 5倍锚具长度后,预压应力被均匀地传递到整个截面上。但不同型式的锚垫板对锚下混凝土的应力峰值有不同的影响。方案二在主拉应力增加较小情况下,压应力降低的幅度较方案一大,更容易接近施工要求。对设计方案进一步的

图3 方案一的锚垫板型式示意图(mm)

将优化设计后的锚垫板重新建模计算,结果锚

优化,调整锚垫板相关尺寸,发现方案一的应力潜力已基本被发掘,局部压应力调至设计规定的限值12 06MPa以内难以实现。

综合上述理由,决定采用方案二的锚垫板型式。根据施工要求,锚下混凝土的主压应力控制值为12 06MPa,按应力沿理想状态传递,扣除预应力孔道,可以求得喇叭管垫板所需的最小外径rmin=481 4mm和最小厚度hmin=334mm(见图5)。

下混凝土最大主应力值为22 6MPa,出现在垫板顶部的混凝土表面。锚下混凝土的最小主应力值为-49 1MPa,出现在肋板偏下部位,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。与MD15 37D方案比较,最大拉应力 1增加了5 6MPa,最大压应力 3减少了15 8MPa,显然混凝土的局部压应力明显减小。4 2 设计方案二

仍根据锚下混凝土应力分布情况将锚垫板型式改为阶梯状,锚垫板型式见图4。用有限元结构设计软件ANSYS分析锚下压局区内三维空间应力状况,结果锚下混凝土最大主应力值为20 2MPa,出现

5 试验测试

为保证所设计的锚垫板型式传递应力到锚下混凝土能满足局部抗压强度和产生的裂缝宽度控制在规范要求范畴,由湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

第5期吴辉琴,等:大吨位预应力锚垫板设计

77

37型预应力锚固系统,锚下应力非常高,若用常规锚垫板会引起锚下应力过于集中,锚下混凝土裂缝、锚垫板破坏。通过应用结构设计软件ANSYS仿真分析,并根据国际预应力协会(FIP)规定的条款进行实验测试,明确了悬索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质要求,对原型锚垫板的结构型式进行了改制。新型锚垫板既符合规范又能通过有限元分析检验。但在分析计算和测试中发现,新型式的锚垫板虽降低了锚下混凝土局部压应力,但同

图5 锚垫板最小外径和最小厚度计算图形

时其环向拉应力是增加的,特别是锚垫板采用的是塔锥体型齿斜面,当正压力沿45 扩散时,外围混凝土如同受到内压力的管壁,将产生环向拉力。因此在考虑局部受压承载力满足的前提下,一定要注意防止锚垫板的环向拉应力引起裂缝影响锚垫板的正常使用问题。

[参考文献]

[1] 李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出

版社,2002.

[2] 房贞政.预应力结构理论与应用[M].北京:中国建筑工业出

版社,2005.

[3] 江见鲸,陆新征,叶列平编著.混凝土结构有限元分析[M].北

京:清华大学出版社,2005.3.

[4] 中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵

设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5] FIP 93,后张法预应力体系验收建议[S].

[6] 刘庆宽,王新敏,强士中.南京长江二桥南汉桥索梁锚固足尺

模型试验研究[J].土木工程学报,2001,34(2):50~54.

特大桥锚碇预应力锚固系统评审会;同时,按 后张法预应力体系验收建议 (FIP 93)5 2 3条规定制作锚支座试件,进行荷载传递实验,观测裂缝、混凝土应变和锚具变形,测试破坏荷载。测试结果如下:

(1)取荷载上下限分别为0 8fPk和0 12fPk(fPk为预应力钢材特征抗拉强度),经过十次慢循环加载,最大劈裂影响区内试件侧面混凝土纵向与横向应变相当稳定,其值均小于0 2%。

(2)循环加载时,裂缝首先出现在锚支座的顶面和侧面的上部,发展较缓慢;继续加载,沿箍筋和防爆筋外侧也出现裂缝,此裂缝发展快,最后引起支座的破坏。第1次加载达到上限荷载0 8fPk和最后一次加载达到下限荷载0 12fPk时,裂缝宽度为0 08mm和0 09mm,均小于FIP建议中的限值0 1mm;最后一次加载达到上限荷载0 8fPk裂缝宽度为0 24mm。小于FIP建议中的限值0 25mm。

(3)试验过程中,锚具和锚座架未发生变形。(4)循环加载稳定后,继续加载,试件侧面保护层的混凝土剥落,试件破坏,破坏荷载Fu和混凝土试件的平均抗压强度fcm,e(见表1)满足:Fu FPkfcm,e fck,0和Fu 1 1FPk,FPk为预应力筋的极限特征抗拉力;fck,0为现场施加全部预应力时混凝土的最小特征抗压强度。

表1 圆柱体试件抗压强度(单位:MPa)

试件强度

养护天数28天

137.5

230.4

337.9

取值fck37.5

最小值fck,030.4

(上接第73页)

[4] 倪永军,姚秋来,王亚勇,黄世敏,李玉英,王忠.聚合物砂浆一

高强钢绞线网加固砖墙的前期研究[A].抗震加固改造技术第一届学术交流会论文集[C].2004:363~368.

[5] 聂建国,王寒冰,张天申.高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂

浆抗弯加固的试验研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):1~9.

[6] 聂建国,王寒冰,张天申.高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂

浆受抗剪加固的试验研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):10~17.

[7] 王亚勇等.高强钢绞线网 聚合物砂浆在郑成功纪念馆加固

工程中的应用[J].建筑结构,2005(8):41~42.

[8] 苏三庆等.用钢筋网水泥砂浆抹面加固砖墙的抗震性能试验

研究[J].西安建筑科技大学学报,1998(3):229~232.

[9] GB50011 2001.建筑抗震设计规范[S].[10] GB50010 [S].

6 结 语

第24卷第5期2008年5月

[文章编号]1002 8528(2008)05 0074 04

建 筑 科 学

BUILDINGSCIENCE

Vol 24,No 5May2008

大吨位预应力锚垫板设计

吴辉琴,林桂武,谢肖礼,林居章,陈建国

1

1

2

3

3

(1.广西工学院土木建筑工程系,广西柳州545006;2.广西大学土木建筑工程学院,南宁510004;3.广西柳州市威尔姆预应力有限公司,广西柳州545006)

[摘 要]随着桥梁技术的发展,大吨位锚具的应用在不断增加,巨大的预压力将通过锚具及其下面积不大的垫板传递给混凝土,引起很大的局部应力。为保证锚垫板下混凝土的局部承压强度满足承载力要求,必须设计受力合理的锚垫板。本文以四渡河特大桥方案为工程背景,利用有限元分析软件ANSYS模拟分析锚垫板在张拉预应力过程中的局部应力分布规律,以此为据改变锚垫板的结构型式,改善锚下混凝土应力分布情况,探索大吨位锚具局部承压可靠的方法。

[关键词]大吨位锚具;应力分布;锚垫板设计

[中图分类号]TU757.2;U445.47+1 [文献标识码]A

DesignoftheAnchorPlateunderLargeTonnagePre Stress

WUHui qin,LINGui wu,XIEXiao li,LINJu zhang,CHENJian guo

1

1

2

3

3

(1.DepartmentofCivilEngineering,GuangxiUniversityofTechnology,Liuzhou545006,Guangxi,China;2.DepartmentofCivilEngineering,GuangxiUniversity,Nanning510004,China;3.LiuzhouVLMPrestressingCo.Ltd.,Liuzhou545006,Guangxi,China)

[Abstract]Asthetechniqueofbridgedevelops,thelargetonnageanchoragehasbeenusedontheincrease.Concreteshouldbesustainedgreatprepressurethroughanchorageandplate,leadingtolargepartialpressure.Inordertomaketheconcreteundertheanchorplatebeingstrongenoughtosupportthelargepartialpressure,theanchorplateshouldbematched.TakingtheprojectoflargebridgeofSi DuRiverasanexample,thispaperanalyzesthedistributiondisciplineofthelocalstressoftheanchorplatepre stressedwithlocalizedtendonsbysimulationwithANSYS,andexploresthereliablesolutionsofpartialpressureoflargetonnageanchoragebychangingthestructureofanchorplateandimprovingthestressdistributionofconcreteunderanchorplate.

[Keywords]largetonnageanchorage;stressdistribution;designoftheanchorplate

1 引 言

预应力混凝土悬索桥具有受力合理、造型美观、用料省、轻便等特点,在各种体系的桥梁中,其跨越能力是最大的。随着预应力技术的发展、锚具不断地改进,设计、施工水平持续提高,当前悬索桥的跨径已经超越了1000m。但跨径大、悬索自重轻,需采用大吨位的钢绞线和锚具,才能满足桥梁受力和构造要求,因而也相应地带来一系列的设计问题。其中施工过程中大吨位集中预加力通过锚具及其下面不大的锚垫板传给混凝土时,引起锚下局部承压区

[收稿日期]2007 09 25

[基金项目]广西自然科学基金项目(桂科自:0066002)

广西自然科学基金项目(桂科自:0481002)

[作者简介]吴辉琴(1965 ),女,硕士,副教授[混凝土裂缝、桥梁耐久性受到影响,或者支座内部锚具附近产生局部拉应力,导致腹板开裂问题等尤为明显,给预应力锚固区局部构造设计增加了难度。本文以四渡河特大悬索桥锚垫板设计为工程背景,应用结构设计软件ANSYS,通过分析该桥锚垫板下混凝土应力分布规律,探讨大吨位锚具下锚垫板的设计方法。

2 工程概况

四渡河特大桥是一座单跨双铰钢桁架加劲梁悬索桥,它横跨于湖北沪蓉西高速公路中一个 V 型深切峡谷上,跨径布置为900+5 40m,为目前国内最大的;主塔距谷底有650m深,被誉为迄今世界上最高的桥;大桥使用的锚碇预应力系统为环氧填充型钢绞线加防腐油脂的单根可换式体系(钢绞线强

2

第5期吴辉琴,等:大吨位预应力锚垫板设计

75

料要求,设计单位选用了广西柳州市威尔姆预应力有限公司(简称VLM公司)生产的VLM15 19孔和VLM15 37孔锚具和专用夹片及与之配套的MD15 19D和MD15 37D型后锚面锚垫板(图1),经理论计算和实验测试,锚具和夹片的安全系数、锚固性能、疲劳性能、可靠度等均满足设计和施工要求。

由于桥的跨距很大,施工时必须施加大吨位的预加力才能保证桥梁使用过程中的可靠与稳定。因而在锚垫板下混凝土形成了较高的局部接触压应力和横向拉应力,且应力分布不均匀,峰值较大,它可能使构件局部承压区产生不可闭合的纵向裂缝,引起局部破坏或锚垫板的破坏。随着荷载的长期作用,裂缝尖部将不断往纵深发展,严重影响结构的耐久性。为此我们应用结构设计软件ANSYS对锚垫板及锚下混凝土进行有限元分析,并根据国际预应力协会(FIP)规定的条款进行了一系列实验,研究悬索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质要求,以保证锚垫板的可靠和锚下混凝土的局部抗压承载力

[1,2]

取单个锚具隔离体分析锚下混凝土应力,因此对于37孔的锚具,锚下混凝土块的模型尺寸取为1m 1m 1 5m。假定混凝土为线弹性材料,其弹性模量为3 25 10MPa。MD15 37D型后锚面锚垫板大样见图1,所建的有限元模型见图2。

4

图1 MD15 37孔右锚面锚垫板示意图

。

3 MD15 37D型后锚面锚垫板应力分析

由结构分析知:局部承压混凝土处于复杂应力

状态中,局部措施不同可导致不同的破坏形态。当张拉设计吨位、锚具布置位置和锚下混凝土等级确定后,锚垫板的结构型式将直接影响到锚下混凝土的应力分布状况,从而影响锚垫板的安全可靠和正常使用。以MD15 37D型后锚面锚垫板为例,本文从分析原型锚垫板下混凝土三维应力着手,通过分析局压区内混凝土的空间应力分布状况,应力峰值的位置与大小等,来调整锚垫板的型式,控制锚下混凝土的裂缝和局部受压破坏。

3 1 模型建立

锚下混凝土应力分析采用空间有限元程序ANSYS,计算对象为VLM公司生产的MD15 37D型后锚面锚垫板。计算工况为结构自重+纵向预加力,将8267kN预加力换算为环面荷载作用于锚板单元,强大的预加力经锚垫板传到锚下混凝土。选三维空间实体建模,考虑预应力孔道,将钢锚具与混凝土同时划分单元,分析锚下局压区内的三维空间应力状况。锚垫板采用实际尺寸,其弹性模量为2 0

5

10MPa。锚下混凝土为C40(轴心抗压强度标准

值ck=,图2 整体结构和锚垫板结构分析模型

3 2 计算结果分析

将有限元分析数据处理后,得到任意单元节点上六个应力分布规律,包含 x、 y、 z、 xy、 yz、 xz;也可得到单元的主应力 1、 2、 3。考虑设计需要,仅取最大主应力 1和最小主应力 3进行分析比较,确定锚垫板的结构型式。

分析结果表明,常规锚垫板下混凝土最大主应力值 1为17 0MPa,出现在喇叭管垫板上侧混凝土表面;拉应力出现在锚头张拉后;混凝土表面因约束而产生承压面下凹变形。分析发现在拉应力集中区域,拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度,但作用区域很小,考虑到应力超过抗拉强度后,应力释放并重新分布,结构设计上可通过在锚垫板内部设立螺旋,

76

建筑科学

第24卷

锚下混凝土最小主应力值为-64 9MPa,发生在以锚心为圆心,喇叭管垫板与管颈壁转角的部位,影响范围比较小,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。锚下混凝土的压应力大大超过了材料抗压强度的容许值。因而需要对原型锚垫板的结构型式

[3 4]

进行改制设计。

应力值为-43 0MPa,出现在倒数第2个阶梯附近的混凝土表面,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。与MD15 37D方案比较,最大值 1增加了3 2MPa,最小值 3减少了21 9MPa,锚垫板改进效果十分显著。

4 锚垫板的设计

4 1 设计方案一

原型锚垫板方案只有两层垫板,锚下混凝土压应力过大,说明锚垫板没有充分发挥其传力的作用。经分析,混凝土的最大、最小应力的位置及竖向截面

应力分布云图、锚垫板等效应力云图等,在不改变锚垫板的材料属性和其他前提条件下,通过改变锚垫板型式,即增加一层垫板,并在第1、2层垫板间增加四个肋板来增强垫板间力的传递;将底层垫板改为平整状,增加锚垫板和混凝土的接触面积,可达到减小应力,保证局部抗压强度的目的。优化后的锚垫板型式见图3

。

图4 方案二的锚垫板型式示意图(mm)

4 3 方案选择

模拟计算结果表明,两种设计方案均能有效地减小混凝土的局部压应力,产生的最大主拉应力发生在顶部的混凝土表面,最小主压应力发生在锚垫板偏下部位。预压应力从锚垫板开始往下呈逐步扩散的趋势,当距顶面1 5倍锚具长度后,预压应力被均匀地传递到整个截面上。但不同型式的锚垫板对锚下混凝土的应力峰值有不同的影响。方案二在主拉应力增加较小情况下,压应力降低的幅度较方案一大,更容易接近施工要求。对设计方案进一步的

图3 方案一的锚垫板型式示意图(mm)

将优化设计后的锚垫板重新建模计算,结果锚

优化,调整锚垫板相关尺寸,发现方案一的应力潜力已基本被发掘,局部压应力调至设计规定的限值12 06MPa以内难以实现。

综合上述理由,决定采用方案二的锚垫板型式。根据施工要求,锚下混凝土的主压应力控制值为12 06MPa,按应力沿理想状态传递,扣除预应力孔道,可以求得喇叭管垫板所需的最小外径rmin=481 4mm和最小厚度hmin=334mm(见图5)。

下混凝土最大主应力值为22 6MPa,出现在垫板顶部的混凝土表面。锚下混凝土的最小主应力值为-49 1MPa,出现在肋板偏下部位,压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋势。与MD15 37D方案比较,最大拉应力 1增加了5 6MPa,最大压应力 3减少了15 8MPa,显然混凝土的局部压应力明显减小。4 2 设计方案二

仍根据锚下混凝土应力分布情况将锚垫板型式改为阶梯状,锚垫板型式见图4。用有限元结构设计软件ANSYS分析锚下压局区内三维空间应力状况,结果锚下混凝土最大主应力值为20 2MPa,出现

5 试验测试

为保证所设计的锚垫板型式传递应力到锚下混凝土能满足局部抗压强度和产生的裂缝宽度控制在规范要求范畴,由湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

第5期吴辉琴,等:大吨位预应力锚垫板设计

77

37型预应力锚固系统,锚下应力非常高,若用常规锚垫板会引起锚下应力过于集中,锚下混凝土裂缝、锚垫板破坏。通过应用结构设计软件ANSYS仿真分析,并根据国际预应力协会(FIP)规定的条款进行实验测试,明确了悬索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质要求,对原型锚垫板的结构型式进行了改制。新型锚垫板既符合规范又能通过有限元分析检验。但在分析计算和测试中发现,新型式的锚垫板虽降低了锚下混凝土局部压应力,但同

图5 锚垫板最小外径和最小厚度计算图形

时其环向拉应力是增加的,特别是锚垫板采用的是塔锥体型齿斜面,当正压力沿45 扩散时,外围混凝土如同受到内压力的管壁,将产生环向拉力。因此在考虑局部受压承载力满足的前提下,一定要注意防止锚垫板的环向拉应力引起裂缝影响锚垫板的正常使用问题。

[参考文献]

[1] 李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出

版社,2002.

[2] 房贞政.预应力结构理论与应用[M].北京:中国建筑工业出

版社,2005.

[3] 江见鲸,陆新征,叶列平编著.混凝土结构有限元分析[M].北

京:清华大学出版社,2005.3.

[4] 中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵

设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5] FIP 93,后张法预应力体系验收建议[S].

[6] 刘庆宽,王新敏,强士中.南京长江二桥南汉桥索梁锚固足尺

模型试验研究[J].土木工程学报,2001,34(2):50~54.

特大桥锚碇预应力锚固系统评审会;同时,按 后张法预应力体系验收建议 (FIP 93)5 2 3条规定制作锚支座试件,进行荷载传递实验,观测裂缝、混凝土应变和锚具变形,测试破坏荷载。测试结果如下:

(1)取荷载上下限分别为0 8fPk和0 12fPk(fPk为预应力钢材特征抗拉强度),经过十次慢循环加载,最大劈裂影响区内试件侧面混凝土纵向与横向应变相当稳定,其值均小于0 2%。

(2)循环加载时,裂缝首先出现在锚支座的顶面和侧面的上部,发展较缓慢;继续加载,沿箍筋和防爆筋外侧也出现裂缝,此裂缝发展快,最后引起支座的破坏。第1次加载达到上限荷载0 8fPk和最后一次加载达到下限荷载0 12fPk时,裂缝宽度为0 08mm和0 09mm,均小于FIP建议中的限值0 1mm;最后一次加载达到上限荷载0 8fPk裂缝宽度为0 24mm。小于FIP建议中的限值0 25mm。

(3)试验过程中,锚具和锚座架未发生变形。(4)循环加载稳定后,继续加载,试件侧面保护层的混凝土剥落,试件破坏,破坏荷载Fu和混凝土试件的平均抗压强度fcm,e(见表1)满足:Fu FPkfcm,e fck,0和Fu 1 1FPk,FPk为预应力筋的极限特征抗拉力;fck,0为现场施加全部预应力时混凝土的最小特征抗压强度。

表1 圆柱体试件抗压强度(单位:MPa)

试件强度

养护天数28天

137.5

230.4

337.9

取值fck37.5

最小值fck,030.4

(上接第73页)

[4] 倪永军,姚秋来,王亚勇,黄世敏,李玉英,王忠.聚合物砂浆一

高强钢绞线网加固砖墙的前期研究[A].抗震加固改造技术第一届学术交流会论文集[C].2004:363~368.

[5] 聂建国,王寒冰,张天申.高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂

浆抗弯加固的试验研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):1~9.

[6] 聂建国,王寒冰,张天申.高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂

浆受抗剪加固的试验研究[J].建筑结构学报,2005,26(2):10~17.

[7] 王亚勇等.高强钢绞线网 聚合物砂浆在郑成功纪念馆加固

工程中的应用[J].建筑结构,2005(8):41~42.

[8] 苏三庆等.用钢筋网水泥砂浆抹面加固砖墙的抗震性能试验

研究[J].西安建筑科技大学学报,1998(3):229~232.

[9] GB50011 2001.建筑抗震设计规范[S].[10] GB50010 [S].

6 结 语