裝配式預應力混凝土箱梁負彎矩錨固區受力性能分析及配筋設計

謝玉萌， 朱自萍， 王 倩

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

裝配式預應力混凝土箱梁廣泛應用在橋梁建設中,常見跨徑范圍為20～40 m。箱梁后張預應力錨固區將強大的集中力均勻擴散后傳遞給混凝土構件,工程上后張錨固區因配筋不當導致出現裂縫的事件較多。裂縫通常發生在距離錨固端不遠處,沿著預應力作用方向的縱向裂縫,稱為劈裂裂縫,因此有必要對后張預應力錨固區進行合理的抗裂鋼筋設計[1,2]。

美國《AASHTO LRFD規范》中明確將混凝土梁橋結構劃分為B區和D區,分別進行設計,并給出了一些典型D區的設計方法。箱梁錨固區應力場較為復雜，屬于D區設計范疇,可以采用拉壓桿模型、壓力擴散模型以及三維有限元模型進行計算分析[3，4]。

我國新頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)中參考了美國《AASHTO LRFD規范》首次給出的應力擾動區(D區)的概念,并將后張錨固區劃分為局部區和總體區兩個區域,分別計算[5]。局部區為錨下局部承壓，在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)中已經給出錨下局部受壓承載力的驗算公式。總體區的范圍為局部區之外的錨固區部分,主要是預應力擴散引起的拉應力,應進行抗裂配筋設計。

本文結合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018),對30m裝配式預應力混凝土箱梁負彎矩三角齒塊錨固區的驗算模式進行探討,并結合有限元分析結果,確定錨固區的計算模式,從而進行抗裂配筋設計。

1 工程概況

以公路橋梁中常見的30 m裝配式預應力混凝土箱梁為分析對象,梁體采用C50混凝土,梁高1.6 m,鋼束采用φs15.2 mm鋼絞線,張拉控制應力采用1 395 MPa。負彎矩采用T1(M15-4)、T2(M15-3)、T3(M15-4)鋼束,錨具采用圓形錨具,M15-4的錨墊板尺寸較大,頂板180 mm厚度不能滿足錨固構造要求,需要在T1、T3處設置加厚區,端部加厚至280 mm。負彎矩鋼束沒有張拉空間,因此必須要在錨固端開槽,開槽長度為800 mm。負彎矩區三角齒塊錨固截面尺寸及鋼束布置情況如圖1所示。

圖1 30m負彎矩錨固端構造

2 箱梁負彎矩錨固區有限元計算

2.1 計算模型

由于負彎矩錨固區存在加厚設計,整體是三角齒塊的構造,可以參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)8.2.6條，進行三角齒塊錨固區五個受力部位的拉力計算,分別為錨下劈裂力、齒塊端面拉力、錨后牽拉力、邊緣局部彎曲拉力、徑向力作用引起的拉力。 由于錨固區端部開有槽口,錨后牽拉力和邊緣局部彎曲拉力的傳遞路徑并不明確,因此需要建立三維有限元模型進行分析,確定受力模式。

利用MIDAS EFA建立空間有限元模型,建立負彎矩區段的梁體及鋼束,縱向建立20m,模擬張拉負彎矩鋼束這一施工階段。邊界條件為墩頂處采用固定約束,梁端采用整體模型中張拉負彎矩階段在該處的彎矩、剪力、軸力,施加在截面形心,并將截面形心和截面上的其他節點進行剛性連接。有限元模型如圖2、圖3所示。計算工況為:自重+負彎矩預應力。

圖2 1/2負彎矩區段箱梁有限元模型

圖3 梁端邊界有限元模型

2.2 計算結果

根據上述有限元模型,對負彎矩區段T1(M15-4)、T2(M15-3)、T3(M15-4)錨固區應力進行分析。計算結果:正值表示拉應力,負值表示壓應力。此處因篇幅所限,僅給出T1區段應力分布,如圖4所示。

圖4 T1區段應力分布圖(單位：MPa)

由圖4可以看出，T1區段張拉預應力之后,縱橋向應力主要集中在端部錨固區,橫橋向可引起開槽附近產生拉應力,主應力也主要集中在三角齒塊上,三角齒塊的錨后牽拉和局部彎曲效應并不明顯,和頂板是整體共同受力。分析原因主要有:① 鋼束中心線距離頂板頂僅有140 mm,鋼束的錨固中心點在頂板里面,和常規的三角齒塊錨固區不同;② 三角齒塊橫向寬度1 275 mm,豎向高度28 mm,整體剛度較大,縱向拉應力很難傳遞到其他區域。由此可認為此處的三角齒塊效應并不明顯,可以按照端部錨固區來計算。T3區段和T1區段情況基本一致。

3 箱梁負彎矩錨固區配筋計算

取T1區段按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)8.2.2～8.2.5條，進行端部錨固區劈裂力、剝裂力計算并配筋。

3.1 受力計算

計算參數如下:

頂板高度h=2 400 mm,錨墊板寬度a=145 mm,錨墊板中心距s=400 mm>2a=290 mm,該錨頭為非密集錨頭,宜按照單個錨頭分別計算。a/h=0.06,錨墊板偏心距e=200 mm,偏心率γ=2e/h=0.167,預應力傾角θ=2.86°。

則錨固力:

Pd=1.2×1 395×4×140/1 000=937.44 kN;

劈裂力:

劈裂力位置:db=0.5(h-2e)+esinα=1 010 mm。

兩組預應力束中心距:s=400 mm

3.2 配筋設計

普通鋼筋采用HRB400級鋼筋,fsd=330 MPa,則需要的抗劈裂鋼筋面積為:

As≥γ0Tb,d/fsd=1.1×270×1 000/330=900 mm2

抗劈裂鋼筋分布于齒塊長度1 200 mm范圍內,配置10根直徑12 mm的雙肢箍筋,縱向間距為100 mm,箍筋面積為2 262 mm2,滿足要求。

抵抗剝裂力的鋼筋采用HRB400級鋼筋,fsd=330 MPa,則需要的抗剝裂鋼筋面積為:

As≥γ0Ts,d/fsd=1.1×18.74×1 000/330=56.8 mm2

在齒板端部布置一排直徑12 mm的雙肢箍筋,箍筋面積為226.2 mm2,滿足計算要求。同時錨固端還應配置豎向構造鋼筋,鋼筋布置如圖5所示。

圖5 抗劈裂鋼筋布置圖(單位：mm)

4 結 論

(1)裝配式預應力混凝土箱梁負彎矩三角齒塊錨固區受力復雜,是典型的D區設計范疇,根據新頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)中后張預應力錨固區計算的相關內容,并結合有限元分析結果,確定負彎矩三角齒塊錨固區的受力模式。

(2)裝配式預應力混凝土箱梁負彎矩三角齒塊錨固區有別于常規三角齒塊,齒塊后端開有槽口,且鋼束的錨固中心在箱梁頂板內部。若采用常規三角齒塊計算,錨后牽拉力和邊緣局部彎曲拉力的傳遞路徑并不明確,因此需要進行三維有限元計算分析,確定受力模式,進而采用合理的計算公式。

(3)計算結果表明,三角齒塊的錨后牽拉和局部彎曲效應并不明顯,和頂板整體共同受力,因此可以按照端部錨固區公式進行錨固區配筋設計。新規范明確了錨固區的配筋設計方法,使用時應結合具體結構構造,以更好地指導工程設計。