預應力錨固體系錨墊板上灌漿孔的研究

朱萬旭 陸鑫 熊城洋 黃明鑫 黃家柱，4

1.桂林理工大學 機械與控制工程學院， 廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004； 3.桂林理工大學 廣西壯族自治區智慧結構材料工程研究中心， 廣西 桂林 541004；4.廣西漢西鳴科技有限責任公司， 廣西 桂林 541004

預應力鋼絞線的力通過錨板間接地傳遞給錨墊板，錨固區灌漿技術已由獨立的灌漿管道與喇叭形狀的分離式錨墊板向錨墊板與灌漿孔一體化發展，通常在錨墊板內部布置灌漿孔。鋼絞線強度已由1860 MPa級提高到2200 MPa 級，在更高強度的預應力作用下，錨墊板間接承受較強的預應力，在預應力傳遞的過程中錨墊板上的灌漿孔是否對錨固區應力分布產生影響尚未知。為此，針對2200 MPa 級預應力錨固區錨墊板上的灌漿孔展開研究。

關于預應力錨固區及其錨墊板，國內外許多學者做了大量的試驗研究和有限元分析。Kim 等［1］對超高性能混凝土錨固區采用ABAQUS 軟件建立三維模型進行分析。Yangsu 等［2］對使用兩肋KTA?A 型錨墊板的不同尺寸錨固區建立1/4 模型進行有限元分析。Kook 等［3］研究了錨固區與錨墊板面積比對荷載的傳遞效率。Ji 等［4］對使用Fe?SMA 螺旋筋的錨固區建立有限元模型，忽略了灌漿孔，通過荷載傳遞試驗驗證使用Fe?SMA 螺旋筋的優越性。Kook 等［5］以錨墊板有無橫向肋條為變量對錨固區進行有限元分析，并通過荷載傳遞試驗發現錨墊板增加橫向肋條可以分散錨固區的應力。Cervanka 等［6］以錨固區截面形狀為變量對錨固區進行有限元分析，發現矩形截面使得錨固區承載力減小，正方形截面擁有較好的承載力。Kim等［7］對使用超高性能混凝土的錨固區進行有限元分析，發現使用超高性能混凝土可以減少錨固區的尺寸。石龍等［8］對使用鋼墊板的2000 MPa 級錨固區進行有限元模型分析計算。馬倩、桂志光等［9-10］對建立1860 MPa 級預應力錨固區模型取1/8 進行有限元分析。朱星等［11］對使用高性能混凝土復合錨墊板的錨固區建立1/4 模型進行有限元分析。朱萬旭等［12］在港珠澳大橋節段預制橋墩高強鋼筋錨固體系的關鍵技術研究中，分別對錨墊板、螺旋筋以及錨下混凝土進行了數值模擬，并且通過荷載傳遞試驗驗證了錨固區設計的合理性。周建民等［13］對使用7種結構的鑄造錨墊板構建32個試件進行錨固區傳力試驗，并建立圓形端面以及方形端面的錨墊板錨固區，取1/4 模型進行有限元對比分析，同時忽略了灌漿孔對錨固區的影響。

綜上，鮮有文獻研究鑄造型錨墊板上的灌漿孔對錨固區應力分布的影響。本文以設置灌漿孔的錨墊板旋轉角度為控制變量，建立32 個2200 MPa 級預應力錨固區模型進行有限元分析，確定錨墊板最佳放置位置，并通過荷載傳遞試驗分析灌漿孔細部結構對錨固區應力分布的影響。

1 有限元分析

1.1 錨固區模型

錨墊板從0°開始旋轉至45°，以3°為增量，采用UG（Unigraphics NX）軟件建立32 個2200 MPa 級預應力錨固區模型并導入有限元軟件進行分析，錨固區幾何模型見圖1。根據文獻［14］選取九孔錨墊板，型號為M15T?9D。錨固區結構尺寸為420 mm × 420 mm ×860 mm。

圖1 錨固區幾何模型

1.2 材料參數

錨墊板為理想的彈塑性材料，選用Solid186 實體單元，混凝土采用8 節點Solid65 實體單元，螺旋筋采用Pipe16 桿單元。采用六面體網格。由于結構對稱，以灌漿孔位置為基準，取1/2 模型進行有限元分析。材料參數見表1。

表1 材料參數

按照荷載傳遞試驗的實際方式，對錨墊板所在承壓面施加均布荷載，荷載F= 0.75 × 9 × 2200 × 140 ×10-3= 2079 kN。將模型底面進行六自由度約束。

1.3 計算結果

錨墊板應力對比見圖2。由圖2（a）可知，除21°、24°外，其他旋轉角度下設置灌漿孔的錨墊板比未設置灌漿孔的錨墊板主拉應力大2.71%～34.27%。旋轉角度為45°時，設置灌漿孔的錨墊板主拉應力為83.24 MPa，比未設置灌漿孔的錨墊板大17.12%。由圖2（b）可知，旋轉角度為0°、3°、12°、45°時，設置灌漿孔的錨墊板比未設置灌漿孔的錨墊板主壓應力大2.13%～4.81%。旋轉角度為45°時，設置灌漿孔的錨墊板主壓應力為146.26 MPa，比未設置灌漿孔的錨墊板大2.75%。經觀察，設置灌漿孔的錨墊板應力集中除出現在底板與喇叭管交會處，縱向和環向加勁肋根部以及翼緣凸起處外，還出現在灌漿孔周圍。因此，建立拉壓桿模型對錨墊板進行結構設計時需要忽略灌漿孔。由此可知，灌漿孔的存在會影響錨墊板的應力分布。不同旋轉角度下，錨墊板主拉應力以及主壓應力均未超過其材料抗拉以及抗壓強度極限。

圖2 錨墊板應力對比

螺旋筋應力對比見圖3。由圖3（a）可知，旋轉角度為30°、33°、39°、42°、45°時，設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋比未設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋主拉應力小0.59%～4.16%。旋轉角度為45°時，設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋主拉應力為35.6 MPa，比未設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋小1.6%。由圖3（b）可知，旋轉角度為6°、15°、33°、36°、39°、42°、45°時，設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋比未設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋Von?Mises 應力小0.92%～16.83%。旋轉角度為45°時，設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋Von?Mises 應力為61.73 MPa，比未設置灌漿孔的錨墊板錨下螺旋筋Von?Mises 應力小6.27%。不同旋轉角度下，螺旋筋主拉應力均未超過其材料抗拉強度極限值。

圖3 螺旋筋應力對比

混凝土側表面拉應力對比見圖4。可知：①旋轉角度為0°、24°、33°、36°、42°、45°時，比未設置灌漿孔的錨墊板錨下混凝土側表面拉應力大0.44%～1.99%。②旋轉角度為45°時，混凝土側表面拉應力（4.5 MPa）最小，比未設置灌漿孔的錨墊板錨下混凝土拉應力大0.67%，未超過混凝土抗拉強度極限（5 MPa）。③設置灌漿孔的錨墊板錨下混凝土側表面拉應力呈逐漸下降趨勢。未設置灌漿孔的錨墊板錨下混凝土側表面拉應力呈先增大后減小的趨勢。

圖4 混凝土側表面拉應力對比

綜上，旋轉角度為45°時，錨墊板能很好地分散荷載，錨下螺旋筋可以較好地約束混凝土開裂，使得錨下混凝土側表面拉應力最小，承載力相對較高。因此，錨墊板放置在45°位置，錨固區安全可靠。

2 荷載傳遞試驗

2.1 試驗方法

錨固區傳力試驗加載方式為單調持荷加載，加載試驗機對錨墊板直接施加壓應力，以此模擬預應力鋼絞線的張拉過程，較為真實地反映預應力錨固區錨下應力分布情況。旋轉角度為45°時的錨墊板見圖5。將混凝土試件放置在加載工作臺上，工作錨板放置在錨墊板內環沉臺端面上，通過加載試驗機對工作錨板進行加載。以0.2Fptk（Fptk為錨墊板設計載荷）為增量進行逐級加載，在達到0.2Fptk、0.4Fptk、0.6Fptk、0.8Fptk、1.0Fptk、1.2Fptk時分別持荷5 min，持荷時采集光纖光柵波長并由試驗人員持裂縫測寬儀對產生的裂縫進行測量并記錄數據。試驗用測力系統精度不應大于1.0%，裂縫寬度測量儀分辨率不應大于0.01 mm，加載時應避免偏心，確?；炷翗嫾軌憾嗣媸芰鶆?，加載速度不超過100 MPa/min。

圖5 錨墊板

試驗儀器包括：YES?500液壓式壓力試驗機，工作錨板，混凝土立方體試件，光纖光柵應變傳感器，CW60 裂縫寬度測試儀，光譜解調儀，電腦。試驗設備及試塊見圖6。根據GB/ T 50010—2010《混凝土結構設計規范》［15］選擇材料相關參數，試件參數見表2。3 個混凝土立方體試件均采用C50 級混凝土，尺寸為420 mm × 420 mm × 860 mm。

表2 試件參數

圖6 試驗設備及試塊

2.2 試驗現象與結果

在試驗過程中使用手持便捷式計測顯微鏡觀測混凝土側表面裂縫寬度，經觀察：①加載至0.8Fptk時，3 個試件均出現第1 條裂縫，裂縫寬度最大值分別為0.07、0.08、0.06 mm，均小于FIP［16］中的限值0.1 mm。試件未發現其他破壞形式。②加載至1.0Fptk時，試件裂縫寬度沿之前的裂縫繼續擴散，并產生新的裂縫，裂縫寬度最大值不超過0.11 mm。試件未發現其他破壞形式。③加載至1.2Fptk時，混凝土試件裂縫寬度沿之前的裂縫繼續擴散，并產生新的裂縫，裂縫寬度最大值不超過0.15 mm，小于GB/ T 50010—2010 限值0.25 mm。試驗過程中，錨墊板周圍有輕微下沉，邊緣產生微小的翹起，錨墊板整體結構均未發生變形。

試驗值與有限元計算值對比見圖7?？芍孩僭?～0.6Fptk作用下，3 個試件混凝土側表面拉應力試驗值與有限元計算值逐漸增大，基本均呈線性增長。由于灌漿孔的存在，有限元計算值比實測值偏大。②在0～0.6Fptk作用下，3 個試件內部螺旋筋拉應力試驗值與有限元計算值逐漸增大，基本均呈線性增長。由于灌漿孔的存在，有限元計算值比試驗值偏大。③由于3 個試件均在0.8Fptk載荷作用下出現第1 條裂縫，此時錨固區出現應力重分布，因此隨著荷載持續增加，產生新裂縫的同時原裂縫擴大，使得錨下螺旋筋應力與混凝土側表面應力試驗值呈非線性增長，導致加載后期試驗值與有限元計算值相差較大。

圖7 試驗結果與有限元分析結果對比

3 結論

1）旋轉角度為45°時，錨墊板表現出良好的抗拉、抗壓性能，錨下螺旋筋可以較好地約束混凝土側表面開裂，使得錨下混凝土側表面拉應力最小，承載力相對較高，混凝土結構安全。

2）設置灌漿孔的錨墊板應力集中除分布在縱向和環向加勁肋根部，底板與喇叭管交匯處，翼緣突起處外，還出現在灌漿孔周圍。因此，建立拉壓桿模型對錨墊板進行結構設計時需忽略灌漿孔。

3）通過錨固區傳力試驗可知，荷載加載至1.2Fptk時，3 個混凝土試件中裂縫寬度最大值為0.15 mm，小于GB/T 50010—2010《混凝土結構設計規范》限值0.25 mm。說明設置灌漿孔的錨墊板旋轉角度為45°時，2200 MPa級預應力錨固區結構安全可靠。