預應力錨墊板結構優化設計

馬倩，朱萬旭，，蘇海霆，付委，楊寶棟

（1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006；2.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545005）

預應力錨墊板結構優化設計

馬倩1，朱萬旭1，2，蘇海霆1，付委2，楊寶棟1

（1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006；2.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545005）

預應力混凝土結構應用范圍的擴大對錨下混凝土結構的安全性提出了更高的要求。根據南水北調中線干線工程預應力設計中對于錨墊板的錨具要求，對OVM錨固體系中YM-M15E-12D進行優化改進分析，提出優化設計思路，確立新型錨墊板M15CJ-12D的結構形式，對新結構進行ANSYS分析，并與原結構進行有限元對比分析，且通過荷載傳遞試驗測試構件的性能及檢驗其安全性，對比分析錨下混凝土結構試驗應變值跟模擬應變值，驗證模擬的各項參數符合實際工況，最終得到更為安全、先進、經濟的錨下混凝土結構體系。

錨墊板；錨下混凝土結構；荷載傳遞試驗；ANSYS；對比分析

在預應力錨固體系中，錨下混凝土結構所能承受的荷載將直接影響預應力的效果［1］。研究表明∶在張拉設計噸位、錨具布置位置和錨下混凝土強度等級已經確定情況下，錨墊板的結構形式將會直接影響到錨下混凝土的應力分布狀況［2］。針對南水北調中線干線工程在預應力設計方面要求預應力筋最大張拉力大于1500 kN時，錨墊板錨具槽下最小厚度允許值≥25 mm。為了確保預應力錨固體系的安全及合理性，本文對OVM錨固體系中YM-M15E-12D進行優化改進分析，根據錨下混凝土應力的分布特征與荷載傳遞試驗，驗證錨下混凝土結構與錨墊板的安全性，并為優化錨具結構和降低成本提供有限元分析與實驗依據。

1 優化設計思路

1.1 南水北調中線干線工程錨墊板要求

預應力技術在我國調水工程中已廣泛使用［3］，為確保預應力工程的施工質量，根據南水北調中線干線工程對于錨墊板的要求，對于OVM錨固體系中YM-M15E -12D型錨墊板優化時要考慮到以下要求［4］∶（1）錨墊板上的錨具槽應與錨具和喇叭口同軸，偏差≤2 mm，表面光平，傾斜≤0.5°。安裝測力計的錨墊板，錨具槽應與測力計的專用墊板相匹配。（2）錨墊板宜選用加肋錨墊板，錨具槽下的最小厚度應符合表1中的規定，錨具槽下面的最小厚度如圖1所示。OVM錨固體系中YM-M15E-12D承受的荷載大于1500 kN，所以優化后錨墊板錨具最小厚度允許值要滿足≥25 mm的要求。YM-M15E-12D錨墊板的構造圖如圖2所示。

根據JT/T329-2010規范規定［5］∶錨墊板的長度應保證鋼絞線在錨具底口處的最大折角不大于4度。錨墊板的構造尺寸應能滿足預應力能可靠地從錨具傳遞到混凝土構件中。

1.2 受力性能優化

錨墊板結構形式是解決局部受壓問題主要影響因素，其結構形式的合理布置能夠解決錨下混凝土的應力集中、開裂及變形問題［6］。錨墊板的應力集中區域主要分布于承壓底面，因此在對YM-M15E-12D錨墊板優化時，將多臺階結構布置到承壓底面，這樣不僅解決了應力集中所帶來的不利因素，而且充分利用了臺階的良好傳力性能，節省了材料。合理地增大錨墊板與混凝土的承壓投影面積，有利于荷載的均勻傳遞，更有利于錨墊板與混凝土的協同工作，適用性更高。

1.3 M15CJ-12D新型錨墊板的提出

在滿足南水北調工程對于錨墊板的要求的基礎上，針對以上提出的優化設計思路，經過對YM-M15E-12D錨墊板優化設計，提出緊湊型階梯狀錨墊板結構形式M15CJ-12D新型錨墊板，構造圖如圖3所示。

2 錨下混凝土結構ANSYS分析

2.1 模型概況

為保證新舊兩種結構模型具有可對比性，除錨墊板的結構形式不同外，其他參數設置應盡量保持一致。根據實際情況混凝土為C50，尺寸取480 mm×480 mm× 1000 mm，螺旋筋取Q235線徑Φ12 mm，中徑Φ214 mm，間距50 mm，共5圈。在錨墊板上施加實際工程應用的最大荷載（鋼絞線標準強度的0.75），即260.4×12× 0.75=2343.6 kN。基于模型的對稱性，取1/8部分建模，錨墊板和混凝土之間用接觸模擬，摩擦系數取0.65，其它間接鋼筋與混凝土作為一體計算。錨墊板模型選取solid185實體單元劃分六面體網格；混凝土選取solid65實體單元劃分六面體網格；螺旋筋選取pipe16管單元劃分網格。在對稱面施加對稱約束，遠端地面施加支撐約束。材料屬性參數值見表2。整體結構有限元模型如圖4所示。

2.2 有限元結果分析與比較

2.2.1錨下混凝土

在后張預應力構件的頂部，強大的預壓力通過錨墊板將力傳遞到混凝土上，錨下混凝土承受很大的局部應力，研究表明錨墊板下部區域和混凝土試件側表面的應力較大，其破壞形式主要是側表面拉應力過大造成構件開裂［7］，它可能使構件產生縱向裂縫，所以，混凝土的局部抗裂和承壓的能力是需要研究的重要內容。

經ANSYS分析得出M15CJ-12D型和YM-M15E -12D型錨墊板的錨下混凝土主拉應力云圖（第一主應力），如圖5所示。由圖5可知，兩者的共同點為，錨下混凝土開裂的主要原因為其側表面的主拉應力較大，而最大拉應力的位置主要出現在錨墊板的喇叭口末端，按混凝土的特性，其抗拉強度極限為混凝土抗壓強度極限的1/12～1/15，即5～6 MPa。對其進行彈塑性分析時結果顯示混凝土都沒有出現等效塑性拉應變，證明此時的混凝土拉應力沒有達到拉伸屈服極限，混凝土試件顯然能夠達到抗裂性要求。因此，主要根據計算出來的側表面的拉應力極值來判斷混凝土試件的安全性。

兩者的差別在于，M15CJ-12D型（多臺階）錨下混凝土側表面拉應力比較小，最大處為4.574 MPa，而YM -M15E-12D型錨下混凝土雖然其拉應力未超過抗拉強度極限5 MPa，但錨下混凝土側表面拉應力較大，最大處為4.905 MPa。M15CJ-12D錨固體系的混凝土試件比YM-M15E-12D錨固體系的混凝土試件更加安全。

混凝土側表面進行測試拉應力的變化如圖6所示，在混凝土試塊一定的情況下，無論何種結構形式的錨墊板，其混凝土的最大拉應力都會出現在離錨墊板端部170 mm處（約在喇叭口尾端處），說明M15CJ-12D型的適用性更為突出。

對于混凝土的壓應力，如圖7所示，兩種錨固體系的混凝土中心部位的壓應力較大，與錨墊板直接接觸的地方有應力集中現象，局部區域超過50 MPa（灰色區域），但是由于有螺旋筋等箍筋的存在，能很大程度承受錨墊板傳遞過來的壓應力，使混凝土不至于破壞。另外，本次計算沒有考慮混凝土內加強筋的作用，實際工程中，構件內除了螺旋筋外，還會分布很多加強筋，這可以減小混凝土的拉應力，增強混凝土承受壓應力能力，所以，實際工程中本結構應該是安全可靠的。M15CJ-12D型錨下混凝土壓應力最大值為108.605 MPa，與YM -M15E-12D型錨下混凝土壓應力最大值122.703 MPa相比減少了14 MPa，且應力集中擴散面積增大，驗證了M15CJ-12D型多臺階錨墊板的優越性。

2.2.2錨墊板

錨墊板的結構形式是影響整個錨下混凝土結構的關鍵因素，錨墊板所使用的材料為鑄鐵，其極限抗拉強度為200 MPa。錨墊板的應力分析如圖8所示，M15CJ -12D錨墊板所受最大拉應力為92.473 MPa，YMM15E-12D錨墊板所受最大拉應力為142.664 MPa，均小于其極限抗拉強度，結構都在安全范圍內，但YMM15E-12D型錨墊板的最大拉應力較大，且應力較為集中（紅色區域），M15CJ-12D型應力相對分散，所以M15CJ-12D型更為安全有效。

螺旋鋼筋的錨固性能良好，具有較強的握裹力、良好的可焊性和節省材料等特點，對提高混凝土強度有非常重要的作用，在預應力錨固體系中是必不可少的部分。其應力分布狀況如圖9所示，最大應力都發生在第二圈的位置，所以該位置是需要監測的重點區域。M15CJ-12D型螺旋筋最大mises應力為46.426 MPa，YM-M15E型螺旋筋最大mises應力為51.249 MPa，都小于其材料Q235的屈服強度235 MPa，說明M15CJ-12D型螺旋筋更安全，也間接體現了多臺階錨墊板的可靠性。

綜上所述，錨墊板的結構形態直接影響到錨下混凝土結構各部件的應力變化，通過設計合理的結構形態，可以均勻的分散和減小各部件的應力，而緊湊型多臺階錨墊板能夠滿足這些要求，其原因是多臺階錨墊板增大了錨墊板與混凝土的接觸面積，能夠把應力均勻、廣泛的傳遞到混凝土中去，從而減小了應力集中，保證了混凝土的安全。

3 荷載傳遞試驗

為驗證錨下混凝土結構的安全性，對M15CJ-12D型錨固體系進行荷載傳遞實驗。試驗情況如圖10所示。試驗模型與模擬計算的參數相同，荷載按鋼絞線抗拉強度標準值的20%、40%、60%、80%分級加載，當達到80%后，進行10次慢速循環加載，上限荷載為0.8FptkApkn，下限荷載為0.12FptkApkn，循環加載后，逐步增加荷載直至試件破壞。試驗顯示錨墊板下沉量很小，且錨墊板完好，滿足安全要求。

根據試驗數據表3及圖11可知，試件破壞荷載均大于1.1（3437.28 kN），最大裂縫寬度為0.18 mm，最后2次荷載循環應變小于5%，裂縫寬度增量未超過0.02 mm，滿足規范JT/T329-2010中的相關要求。為了對比分析，在混凝土側面距離錨墊板外表面1/2試件寬度處，每個面橫豎各貼一個應變片，張貼完應變片后用膠帶粘住有焊接的一側，可以使之固定和絕緣。取此處沿加載方向的試驗應變平均值與有限元模型對應位置的應變值進行對比分析。

各錨下混凝土試件的開裂方式基本相同（圖12），其中圖12（a）為試件端面混凝土開裂形態，在加載過程中出現端部斜裂縫和橫向裂縫，裂縫由中部向四周擴展，逐漸延伸到試件側面，錨墊板在試驗中承受兩種荷載∶一是在壓力試驗機上施加的局部荷載，另一種為錨下混凝土產生反作用于錨墊板的荷載，直至混凝土試件破壞，錨墊板都未發生開裂，充分說明錨下混凝土結構的安全性。圖12（b）為側面混凝土的開裂形態，其裂縫大多為豎向裂縫，當加載到試件破壞時，裂縫一般延伸至距試件張拉端1/2處。

模型構件為軸對稱的模型，所以用有限元做分析時，是采用1/8對稱模型，故在張貼應變片處取點，如圖13所示，通過有限元中的定義路徑取值。試驗中由于各種因素的影響，很難做到完全對稱。但也比較接近，所以這里取數據的平均值與模擬值進行比較，對模型一次性加載到0.8Fptk進行分析，根據表4可知，有限元的模擬值與試驗值非常接近，說明ANSYS模擬分析比較符合實際試驗的情況，所建模型合理可靠。

4 結論

本文在原有國產錨固結構的基礎上進行優化，設計出更為優越的錨固體系的重要部件（新型錨墊板）。并參考規范標準建議，對后張預應力錨下混凝土結構從ANSYS模擬與試驗兩部分分別展開研究，建立了較完整的錨下混凝土結構設計思路。

（1）從三個方面對原YM-M15E-12D型錨墊板進行優化，得到適用性更強，安全性更高的M15CJ-12D緊湊型多臺階錨墊版，有效地緩解了荷載傳遞帶來的應力集中，又節約了材料，比傳統階梯狀錨墊板更為經濟實用，優化后產品比較原產品，重量減輕了約0.1 kg，因此按照鋼材價格及目前柳州歐維姆機械股份有限公司錨墊板的年產量，每年可節省材料費300萬左右。

（2）通過ANSYS有限元分析軟件對新舊錨下混凝土結構進行對比分析，驗證新型錨墊板的可靠性，總結得出新型錨墊板的優越性。對優化后的M15CJ-12D型錨墊板跟原進行有限元比較分析，雖然兩種錨墊板和錨下混凝土皆滿足規范要求，但新型錨下應力分布更為均勻，錨下混凝土側表面拉應力相對較小，且混凝土的最大拉應力基本上都會出現在喇叭口的末端，錨墊板的最大拉應力也相對較小。

（3）為了保證有限元分析的精度，為今后的模擬分析提供可靠的依據，對有限元中的模擬數據進行了探討。并將模擬值與試驗數據相互參照，以驗證有限元分析的合理性和準確性。

［1］鄞少強.預應力錨固體系的有限元分析及實驗研究［D］.廣州:華南理工大學'2003.

［2］ASTMC 939-97'Standard testmethod for flow of grouts for preplacedaggregate concrete［S］.

［3］劉土冬'鞠眉周'趙景飛.土層預應力錨索在臺兒莊泵站工程中的應用［J］.河南水利與南水北調'2012' 22:43-44.

［4］NSBD-ZXJ-1-01'南水北調中線干線工程預應力設計、施工和管理技術指南［S］.

［5］JT/T329-2010'中華人民共和國交通運輸行業標準［S］.

［6］彭翰澤.CP1000型核電站安全殼錨固區優化設計［D］.柳州:廣西理工業學院'2011.

［7］GB50010-2002'中華人民共和國國家標準.混凝土結構設計規范［S］.

Optimization Design for Prestressed Bearing Plate Structure

MAQian1，ZHUWanxu1，2，SU Haiting1，FUWei2，YANG Baodong1
（1.School of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Liuzhou OVM Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou 545005，China）

With the expansion of application scope of prestressed concrete structure，there has higher request for the safety of the concrete structure under the anchor.According to the requirements for anchor-plate in the design of prestressed in the South-North water transfermiddle route project，the optimization and improvement of YM-M15E-D in OVM anchorage system，are analyzed，the optimization design method is put forward，and the structure of new anchor system M15CJ-12D is established.Then the new structure is analyzed by Ansys，the result is compared with its original structure.And its components and safety performance are tested by load transfer test，the strain values of concrete structure，tests and strain values that simulated are compared and analyzed.The results confirm that simulation parameters conform to the actual working condition.Finally a safer，advanced and economic concrete structure system under anchor is obtained.

bearing plate；concrete structure under anchor；load transfer test；ANSYS；comparative analysis

TB115

A

1673-1549（2014）01-0081-07

10.11863/j.suse.2014.01.21

2013-09-26

馬倩（1987-），女，山東濟寧人，碩士生，主要從事預應力技術方面的研究，（E-mail）maqiantian2007@126.com