基于ANSYS的錨固塊配筋方法分析

龔靜敏 馬 鵑 周葉飛

針對(duì)錨固塊的配筋方法,近年來有學(xué)者與專家做了一些研究。如丁峰研究了體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁錨固結(jié)構(gòu)分析及配筋;戴亞軍進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力橋梁錨固結(jié)構(gòu)的受力性能與配筋研究;張星宇進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)局部承壓的研究,這些配筋方案是否是最優(yōu)方案,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,將如下幾種錨固塊配筋方法進(jìn)行對(duì)比與分析:1)基于應(yīng)力法配筋;2)采用拓?fù)鋬?yōu)化及拉壓桿模型配筋;3)根據(jù)規(guī)范配筋。

1 依托工程

本文以湖南省醴潭高速公路第12標(biāo)白馬壟高架橋?yàn)楸尘?見圖1),進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力T梁橋的錨固塊應(yīng)力分析。該橋第三聯(lián)為體外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系梁橋,左幅橋由三跨40 m,41 m,35 m T梁組成;右幅橋由三跨T梁組成,跨徑分別為24 m,41 m,35 m。本文選用白馬壟高架橋第三聯(lián)右幅橋連續(xù)體系進(jìn)行分析,其中24 m,35 m體外預(yù)應(yīng)力T梁分別由錨固塊、轉(zhuǎn)向塊及主梁組成;41 m體外T梁由兩中間轉(zhuǎn)向塊、兩邊端轉(zhuǎn)向塊及主梁組成。本文主要分析錨固塊。

2 基于應(yīng)力法配筋

在有限元分析軟件ANSYS中,可以直接利用其相關(guān)的面操作命令直接得到錨固塊內(nèi)側(cè)各任意截面的拉應(yīng)力值。將錨固塊視作由很多薄片組成,將薄片表面上的最大拉應(yīng)力作為薄片整體上均勻分布的拉應(yīng)力,進(jìn)而求出薄片在各個(gè)方向的拉力,利用這個(gè)拉力值來計(jì)算鋼筋量,這是一個(gè)用于錨固塊配筋設(shè)計(jì)的好方法。

錨固塊內(nèi)側(cè)受拉鋼筋的布置一般分層布置,假設(shè)在距錨固塊內(nèi)側(cè)表面10 cm,30 cm,50 cm分別布置有四層鋼筋,那么在計(jì)算所需鋼筋的配置面積時(shí),就可以根據(jù)各層鋼筋兩側(cè)各10 cm的截面上的拉力值來確定鋼筋用量。在ANSYS中,可以取得實(shí)體單元中任意截面的應(yīng)力大小及分布情況。在截取截面時(shí),以最大拉應(yīng)力1 MPa為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)截面最大拉應(yīng)力大于1 MPa,則繼續(xù)截取截面;小于1 MPa,則不再截取截面。

偏安全的認(rèn)為各截面上的最大拉應(yīng)力在該截面所代表的寬度為錨固塊寬度、厚度為0.1 m的實(shí)體上均勻分布,就可以很方便的得出各層結(jié)構(gòu)在梁截面橫向和豎向方向上的拉力,再依據(jù)此拉力就可以得出鋼筋的配置面積。鋼筋應(yīng)力偏安全的取為150 MPa,鋼筋直徑取 20 mm,對(duì)應(yīng)單位面積為314 mm2。

采用應(yīng)力法分析白馬壟橋錨固塊所需的配筋面積,結(jié)果見表1。

豎向和橫向鋼筋的布置應(yīng)根據(jù)相應(yīng)有限元計(jì)算得到的拉應(yīng)力分布區(qū)域進(jìn)行布置,鋼筋盡可能布置在相應(yīng)拉應(yīng)力分布較大的區(qū)域,從而充分發(fā)揮鋼筋承受拉力的工作性能。

對(duì)應(yīng)的配筋模式為:擬定配置可以選配7根直徑20 mm的HRB335橫向鋼筋,沿橫橋向水平布置于錨面向內(nèi)每隔10 cm處,9根直徑20 mm的HRB335豎向鋼筋,橫向間距為10 cm,布置于錨面向內(nèi)每隔10 cm處。

表1 錨固塊的配筋量

3 拓?fù)鋬?yōu)化及拉壓桿模型配筋

采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)錨固塊進(jìn)行分析,關(guān)于拓?fù)鋬?yōu)化,它確實(shí)與傳力路徑有很大的關(guān)系,因?yàn)橐粋€(gè)部件根據(jù)其受力的形式、載荷分布與邊界等條件,通過計(jì)算,可以扣除應(yīng)力比較低的部位,反復(fù)迭代,最后能體現(xiàn)出一個(gè)骨架式的結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)也就是質(zhì)量最輕,效率最高的結(jié)構(gòu),同時(shí)還能保證安全。在土木領(lǐng)域,主要就是用拓?fù)鋬?yōu)化得到的傳力路徑來確定布筋的位置,從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)白馬壟橋錨固塊進(jìn)行分析。采用Solid95單元模擬,得到錨固塊處結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化圖,見圖2。

對(duì)應(yīng)的配筋模式為:擬定配置可以選配6根直徑20 mm的HRB335鋼筋,沿橫橋向水平布置于錨面向內(nèi)10 cm處,豎向間距為10 cm。

4 采用美國(guó)ACI318-05規(guī)范配筋

對(duì)于單孔錨固的體外預(yù)應(yīng)力錨固塊,可直接利用美國(guó)ACI318-05結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的拉壓桿模型進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。給出單孔錨固塊的拉壓桿模型。由式(1)確定拉桿的內(nèi)力。

故由拉桿的力得到鋼筋面積約為184 000/150=1 227 mm2。

對(duì)應(yīng)的配筋模式為:根據(jù)拉壓桿模型各構(gòu)件平衡條件求得拉桿內(nèi)力為184 kN。所需的鋼筋面積為1 227 mm2。擬定選用6根直徑為18 mm的HRB335鋼筋,鋼筋間距10 cm布置。鋼筋面積為1 526 mm2。

5 對(duì)比分析三種配筋方法

對(duì)比白馬壟橋錨固塊配筋方案可知:在體外預(yù)應(yīng)力鋼筋處布置的鋼筋數(shù)量,方案一配置的鋼筋偏多(見表2)。

表2 白馬壟橋錨固塊配筋方案對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

表3 錨固塊配筋方法對(duì)比

對(duì)比可知,三種錨固塊配筋方法對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)見表3。

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