混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力齒塊錨固區(qū)承載力拉壓桿模型研究

1、第 44卷 第 2期 2011年 4月 武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版 Eng ineering Jo ur nal of W uhan U niver sity V ol. 44N o. 2A pr. 2011收稿日期 :2010 11 29(1972 , , , , mail:com.文章編號 :1671 8844(2011 02 0231 04混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力齒塊錨固區(qū)承載力拉壓桿模型研究惠濤(鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 , 河南 鄭州 450052摘要 :根據(jù)主應(yīng)力跡線指示的應(yīng)力傳遞路徑 , 構(gòu)建出齒塊錨固區(qū)的拉壓桿模型 , 詳細(xì)闡述了模型中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵桿件 所在位置 , 在此基礎(chǔ)上提出基

2、于拉壓桿模型的齒塊錨 下局部受壓承載力計(jì)算方法 . 與試驗(yàn) 結(jié)果對比 , 本方法 精 度較高 , 可實(shí)現(xiàn)對齒塊錨固區(qū)局部受壓承載能力 的合理預(yù)測 .關(guān)鍵詞 :預(yù)應(yīng) 力錨固 ; 承載力 ; 拉壓桿 ; 混凝土箱梁 中圖分類號 :T U 378. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :AResearch on strut and tie bar model for predicting bearing capacity ofprestressed tooth block anchorage zone in concrete girderH U I T ao(Zheng zho u M unicipal Co mmun

3、icatio ns P lanning , Surv ey &Design Inst itute, Zhengzho u 450052, ChinaAbstract:From the stress path instructing by the principal stress tracing line, a strut and tie bar mo del near to oth blo ck ancho rage zone is constructed, in w hich a lo catio n o f the key nodes and rods are discussed

4、in detail. Based on the model, a calculation m ethod of bear ing capacity under lo cal compression is pro posed. T he metho d has higher accur acy; thro ug h results on the spot to predict reasonablely lo cal bearing capacity near the too th blo ck anchorag e zone.Key words:prestressed anchorage; be

5、aring capacity; strut and tie bar; concr ete g ir ders 在正常使用極限狀態(tài)下 , 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱 梁結(jié)構(gòu)的支座處負(fù)彎矩絕對值比跨中的正彎矩值要 大 , 因此無論是頂板、 底板 , 在支座部位往往還要加 配短束 , 以增大支座截面的預(yù)壓力 , 使之在短期效應(yīng) 組合作用下上緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力、 裂縫或限制裂縫的 寬度 . 預(yù)應(yīng)力鋼束錨固在突出于箱梁壁板的三角形 齒塊上 (見圖 1 , 齒塊作為一種局部構(gòu)件應(yīng)用相當(dāng) 廣泛 . 預(yù)應(yīng)力是否有效很大程度上取決于齒塊的安 全 , 齒塊錨下承壓強(qiáng)度的檢算成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要 內(nèi)容 .工程實(shí)踐表明 , 即使?jié)M

6、足現(xiàn)行橋規(guī)關(guān)于局部受 壓強(qiáng)度檢算要求的齒塊仍常常發(fā)生錨下破壞 1 2, 有 3種典型破壞 :1 短束局部彎起導(dǎo)致混凝土崩出或 剝落 ; 2 齒塊端部集中預(yù)加力導(dǎo)致劈裂應(yīng)力而產(chǎn)生 縱向裂縫 ; 3 齒塊與頂板 (或底板 交界處產(chǎn)生橫向裂縫 . 為此 , 有必要針對齒塊錨固區(qū)進(jìn)行深入研究 , 尋找更為合理、 簡單的齒塊局部受壓承載能力的計(jì) 算方法 .美國德克薩斯大學(xué)的 J. E. Breen 等 31991年 的 NCH RP 研究報(bào)告中 提出了基于拉 壓桿模型的 錨下承壓強(qiáng)度計(jì)算方法 , 2004年被美國 AA SH T O 橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 4采納 . 基于拉壓桿模型的承壓強(qiáng)度 計(jì)算方法全面 考慮

7、了錨下可能出現(xiàn)的 多種破壞模 式 , 較 為準(zhǔn) 確 地預(yù) 測 預(yù)應(yīng) 力錨 固 區(qū)的 破 壞荷 載 . Breen 的局部承壓強(qiáng)度計(jì)算方法主要針對矩形薄板 中心錨固情況 , 然而齒塊錨固區(qū)的幾何形體相對復(fù) 雜 , 使得局部的應(yīng)力場變得復(fù)雜 , 對應(yīng)拉壓桿模型的 幾何構(gòu)形有所不同 . 拉壓桿模型法被認(rèn)為是尺寸擬 定 和 配 筋 設(shè) 計(jì) 的 有 力 工 具 , 被 AASH T O 、 ACI 、 CEB FIP 等歐美規(guī)范4 7所推薦 .武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版 第 44卷 圖 1 某干渠大橋結(jié)構(gòu)中的三角形齒塊本文在研究拉壓桿模型后 , 以跨越某干渠大橋 齒塊錨固區(qū)為例 , 研究基于拉壓桿模型的局部

8、受壓 承載能力計(jì)算方法 , 與實(shí)測作了對比 , 吻合得很好 .1 齒塊錨固區(qū)的拉壓桿模型 拉壓桿模型 (Strut and T ie M odel 是從古典桁 架理論發(fā)展而來的 , 可合理反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載傳 遞機(jī)制 . 拉壓桿模型由拉桿、 壓桿和節(jié)點(diǎn)組成 , 其中 , 拉桿代表受拉鋼筋 , 壓桿代表混凝土受壓應(yīng)力場 , 受 拉鋼筋與混凝土受壓應(yīng)力場的交匯區(qū)域則由節(jié)點(diǎn)模 擬 .拉壓桿模型中拉桿、 壓桿的位置應(yīng)盡可能反映 第 1主應(yīng)力與第 3主應(yīng)力的走向 , 通過簡化彈性應(yīng) 力跡線 , 歸并拉桿、 壓桿力流 . 這樣所形成的拉壓桿 模型 , 可以減少結(jié)構(gòu)在受力過程中 (從彈性到塑性 的應(yīng)力重分布

9、 , 依據(jù)拉桿位置配筋 , 可抑制受拉區(qū)的 裂縫 , 提高承載力 .圖 2示出了齒塊錨固區(qū)主應(yīng)力跡線指示的應(yīng)力 傳遞路徑 , 構(gòu)建齒塊錨固區(qū)的拉壓桿模型見圖 3. 其 中 , 錨固力在齒塊錨下擴(kuò)散的力流用壓桿 1 4和壓 桿 2 5模擬 , 拉桿 4 5的存在則保證了該傳力體系 的內(nèi)部平衡 . 按照圖 3所示拉壓桿模型的基本構(gòu)形 , 將定量化幾何構(gòu)形的確定方法及依據(jù)闡述如下 :1 錨下 1號及 2號節(jié)點(diǎn)所在位置 . 錨下 1號及 2號節(jié)點(diǎn)為集中型節(jié)點(diǎn) (Sing ular node , 代表 錨下 局部區(qū)域 , 這里根據(jù) CEB FIP 的建議 , 將此 類節(jié)點(diǎn) 至錨固區(qū)的距離取為錨墊板有效承

10、壓寬度的 1/4, 即 d c =a/4.2 4號節(jié)點(diǎn)的位置 . 4號節(jié)點(diǎn)為彌散型節(jié)點(diǎn) , 引 起主應(yīng)力轉(zhuǎn)向作用 . 考慮齒塊應(yīng)該將荷載傳遞到壁 板、 在交界處幾何形體的突變導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生主應(yīng) 力轉(zhuǎn)向的主要原因 , 將 4號節(jié)點(diǎn)置于齒塊與壁板的 交界面上 .3 錨下拉桿 3 4的位置 . 拉桿 3 4代表錨下抵 抗劈裂作用的 橫向鋼筋 , Breen 等人的試驗(yàn) 研究表明 橫向鋼筋構(gòu)成 , 且拉桿位置與橫向鋼筋的面積重心 一致 .4 壓桿 3 5的位置 . 由圖 3可知 , 壓桿 3 5平行 于齒塊縱向邊緣 , 與錨下抵抗劈裂效應(yīng)的拉桿交匯 于 3號節(jié)點(diǎn) , 此類壓桿位置影響斜壓桿 1 3的傾

11、角 , 進(jìn)而影響錨下局部受壓承載力的計(jì)算 . 考慮到力筋 軸線與齒塊縱 向邊緣之間的受壓應(yīng)力 場相對均勻 (見圖 2 , 將壓桿邊距取 1/4齒塊高度 .圖 2 齒塊錨固區(qū)的 主應(yīng)力跡 線圖 3 齒塊錨固區(qū)的拉壓桿模型2 齒塊錨固區(qū)基于拉壓桿模型的局部 受壓承載力計(jì)算根據(jù)圖 4所示拉壓桿模型中各桿件尺寸的取值 方法 , 齒塊錨固區(qū)局部受壓承載能力可能由承壓板 下方的節(jié)點(diǎn)承壓強(qiáng)度 (平面 M M 、 節(jié)點(diǎn)與壓桿 1 3交界處的壓桿強(qiáng)度 (平面 Q N 、 節(jié)點(diǎn)與壓桿 2 4交 界處的壓桿強(qiáng)度 (平面 S N 、 局部區(qū)與總體區(qū) (局部 區(qū)即錨下受到約束鋼筋約束的區(qū)域 , 總體區(qū)則為錨 固區(qū)中除局

12、部區(qū)以外的區(qū)域 交界處的壓桿強(qiáng)度 (平 面 K L 或錨下拉桿體系 3 4的屈服強(qiáng)度控制 . 令上 述幾種破壞模式 對應(yīng)極限荷載分 別為 P M M 、 P Q N 、 P S N 、 P K L 和 P T , 其 中 , P M M 可采 用 Roberts Woll mann 等提出的約束混凝土承壓強(qiáng)度的下限方程式 計(jì)算如下 :P M M =0. 7f cgA b +4. 0f flat A core (1-D2 3f c Ab(1式中 :A 為有效面積 , 即幾何上與加載面相似且與之 g b 232第 2期 惠濤 :混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力齒塊錨固區(qū)承載力拉壓桿 模型研究局部承壓毛面積以及扣除

13、孔道的局部承壓凈面積 . 其他參量的意義及計(jì)算方法如圖 4所示. 圖 4 齒塊錨下拉壓桿模型及節(jié)點(diǎn)和壓桿區(qū)域尺寸壓桿破壞對應(yīng)極限荷載 P Q N 和 P S N 的計(jì)算方法分別為P Q N =2cos 1-3(f Q N cc A Q N st c +f Q N uc A Q Nstu (2P S N =2cos 2-4(f S Ncc A S Nstc +f S Nuc A S N stu (3 式中 : 1 3、 2 4分別為壓桿 1 3及壓桿 2 4與錨固力 作用方向的夾角 ; f cc 、 f uc 分別為壓桿中受約束鋼筋 約束以及不受約束鋼筋約束的混凝土極限應(yīng)力 , 相 應(yīng)的計(jì)算式為

14、 fcc=0. 7f cst+kfys sd c (1-d c23f c (4f uc =0. 7f cst(5式 (4 中第 1項(xiàng)表示在周圍混凝土約束作用下的壓 桿強(qiáng)度 , 第 2項(xiàng)則表示由錨下約束鋼筋套箍作用引 起的壓桿強(qiáng)度提高值 . 其中 :A st 、 A stc 和 A stu 分 別為 壓桿、 壓桿中受約束鋼筋約束以及不受約束鋼筋約 束部分的混凝土截面面積 ; A 為與壓桿截面相似且 與之同心對稱的周圍混凝土的最大面積 .齒塊錨固區(qū)約束鋼筋一般采用由錨具生產(chǎn)商提 供的與錨具相配套的螺旋筋 , 被螺旋筋包裹的核心 混凝土截面幾何形狀為圓形 , 見圖 5. 為便于計(jì)算壓 桿內(nèi)受螺旋筋約

15、束部分的混凝土截面面積 , 可將螺 旋筋等效為具有相同包裹面積的閉合箍筋 , 在此基 礎(chǔ)上 , 由圖 5中的幾何關(guān)系 , 給出 A st 、 A stc 以及 A 的 計(jì)算式為AQ Nst=w s1tQ N e=a e 2(cos 1-3+sin 1-3 t Q Ne (6 A S N st =w s2t S N e =e 2(co s 2-4+sin 2-4 t S Ne (7 A Q N stc =(d eq c 2/(2cos 1-3 (8 AS Nstc=(d eq c2/(2cos 2-4 (9 A Q N =b(w s1t Q Ne (10A S N =b(w s2e(11其中 :

16、d eq c 為被等效閉合箍筋包裹的核心混凝土的截 面邊長 ; t e 為關(guān)鍵截面處壓桿的橫向厚度 , t e 可通過 預(yù)加力在齒塊橫向擴(kuò)散的拉壓桿模型計(jì)算得到 , 考 慮齒塊橫向?qū)挾?b 與錨墊板有效承壓寬度 a e 的比 值不高 , 可近似認(rèn)為壓桿厚度在兩者間線性變化 , 相 應(yīng)的計(jì)算式為t e =a e +(b -a e x i /b (i =1, 2 (12式中 :x 1、 x 2分別為壓桿 1 3以及壓桿 2 4的軸線 與關(guān)鍵截面 Q N 及 S N 的交點(diǎn)至錨固端的垂直距離 , x 1及 x 2的計(jì)算式為x 1=e 2-s12sin 1-3(13 x 2=a e 2-w s22si

17、n 2-4(14圖 5 螺旋筋的側(cè)向約束力通過對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋內(nèi)常見的錨固 7 25根鋼絞線的齒塊尺寸的調(diào)研可知 , 齒塊高度 h 與錨 墊板有效承壓寬度 a e 的比值一般在 1. 42. 6范圍 內(nèi)變化 , 此時(shí) , 與錨具配套的螺旋筋沿縱向的配筋深 度可延伸至壓桿 3 5內(nèi) . 由此可見 , 局部區(qū)與總體區(qū) 交界處的壓桿截面面積即為壓桿 3 5的面積 , 相應(yīng) 的計(jì)算方法為A K L st =w s3t K L e =e e c 22(15式中 :l c 為螺旋筋沿縱向的配筋深度 .由于該截面完全處于螺旋筋的約束范圍之外 ,因此 , P K L 的計(jì)算式為P K L =2f uc A

18、 K Lst(16壓桿面積計(jì)算過程中 , 需考慮孔道對其的削弱 , 壓桿內(nèi)孔道面積的計(jì)算可參照壓桿內(nèi)受螺旋筋約束 部分混凝土截面面積的計(jì)算方法 , 此處不再贅述 .錨下拉桿屈服對應(yīng)極限荷載 P T 的計(jì)算方法為P T =2T 4 5/tan 1 4(17式中 :T 4 5為拉桿 4 5代表的抗劈裂鋼筋所能提供的拉力 ., 233武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版 第 44卷錨固區(qū)局部受壓承載力可表示為P u =m P M M , P Q N , P S N , P K L , P T (18 3 試驗(yàn)驗(yàn)證為驗(yàn)證本文方法的適用性 , 與文獻(xiàn) 8的試驗(yàn)進(jìn) 行對比 , 成果列 入表 1, 其中橋 長 250m,

19、 主跨 110 m, 雙幅橋 , 單幅寬度為 21m. 在計(jì)算中 , 混 凝土的 強(qiáng)度、 普通鋼筋的屈服強(qiáng)度均按試驗(yàn)實(shí)際情況取值 . 由計(jì)算結(jié)果可知 , 采用平板錨墊板 (屬柔性墊板 的 試件 SP1及 SP2, 其錨下局部受壓承載力由節(jié)點(diǎn)與 壓桿 2 4交界處的壓桿強(qiáng)度控制 , 而采用前端帶有 喇叭管的錨墊板 (屬剛性墊板 的試件 ST 1 ST 3, 其錨墊板剛度較大 , 錨下局部承壓面積相對較高 , 控 制局部受壓承載力的關(guān)鍵截面向錨下深處轉(zhuǎn)移 , 此 時(shí) , 錨下局部受壓承載力由局部區(qū)與總體區(qū)交界處 壓桿 3 5的強(qiáng)度控制 .齒板錨下拉壓桿模型為對錨下真實(shí)傳力機(jī)制的 抽象 , 且基于拉

20、壓桿模型的局部受壓承載能力計(jì)算 方法涵蓋了可能出現(xiàn)的幾種破壞模式 , 由表 1可知 , 與橋規(guī)方法相比 , 計(jì)算精度相對較高 .表 1 局部受壓承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比 kN 試件 ST 1ST 2ST 3SP 1SP 2 P M M 1622. 71931. 81931. 81229. 11229. 1 P Q N 1755. 12105. 62130. 81385. 01385. 0 P S N 1619. 22067. 61951. 01180. 71180. 7 P K L 1432. 51894. 41894. 41410. 11410. 1 P T 3931. 12042. 339

21、31. 12996. 42996. 4 P 橋規(guī) 2219. 52552. 92552. 91341. 41341. 4 P test 1480. 0未破壞 1920. 01160. 01200. 0 P test /P stm 1. 03未破壞 1. 010. 981. 02 P test /P 橋規(guī) 0. 67未破壞 0. 750. 870. 89 4 結(jié)語1 本文提出了齒塊錨下拉壓桿模型的構(gòu)形方 法 , 對拉壓桿模型中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵桿件所在位 置作了詳細(xì)論述 .2 提出了基于拉壓桿模型的齒塊錨下局部受 壓承載力計(jì)算方法 .3 本文方法與試驗(yàn)結(jié)果對比表明 , 本文計(jì)算方 法精度較高 ,

22、可實(shí)現(xiàn)對齒塊錨下局部受壓承載能力 的合理預(yù)測 , 在實(shí)際工程中具有應(yīng)用價(jià)值 .參考文獻(xiàn) :1 金清平 , 胡志 剛 , 周湘君 . 預(yù)應(yīng) 力混凝 土箱梁 齒板張 拉 破壞分析與對策 J.鐵道建筑 , 2010, (3 :22 24. 2 周孟波 , 文武 松 , 雷 昌龍 . 大噸位 錨固 區(qū)混凝 土抗 裂 性及承載能力研究 J.橋梁建設(shè) , 1999, (4 13 17. 3 Breen J E, Burdet O , R oberts C. A nchor age zo ne re info rcement fo r po st t ensio ned concrete g ir der s R . T he U niver