袁光英,王慶國(guó)

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,渭南 714000)

錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力局部受荷的數(shù)值模擬

袁光英,王慶國(guó)

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,渭南 714000)

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,由于錨固區(qū)受到較大集中力作用,很容易在受壓區(qū)附近產(chǎn)生微裂縫甚至可能發(fā)生脆性破壞,對(duì)結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全將產(chǎn)生嚴(yán)重影響.如果清楚的分析出錨固區(qū)受力的詳細(xì)特點(diǎn),同時(shí)采取有效對(duì)策,這樣就可以避免裂縫的產(chǎn)生或發(fā)生脆性破壞事故,從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性.

錨固區(qū);局部受荷;數(shù)值模擬

0 引 言

當(dāng)構(gòu)件的端面中心在受到局部荷載作用時(shí),錨下截面的壓應(yīng)力非常集中,不過(guò)隨著構(gòu)件中受力點(diǎn)離錨具的距離越遠(yuǎn),其截面應(yīng)力將逐步擴(kuò)散,最后被均勻地分布到整個(gè)截面上.因此工程上將構(gòu)件錨固區(qū)分為了過(guò)渡段和中間段.大量的試驗(yàn)和理論研究表明[1]:這個(gè)過(guò)渡區(qū)段的長(zhǎng)度大約等于構(gòu)件的高度,所以工程上將等于構(gòu)件高度的這一過(guò)渡區(qū)段稱為端塊.端塊以外的應(yīng)力用初等梁理論進(jìn)行分析,但在端塊以內(nèi)初等梁理論就已不再適用[1].同時(shí)端塊的受力情況比較復(fù)雜,不僅存在著不均勻的縱向應(yīng)力;而且存在剪應(yīng)力和由彎矩引起的橫向拉應(yīng)力.

1 箱梁錨頭部位局部受力分析

箱梁橋一般采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土,預(yù)應(yīng)力束穿在構(gòu)建的孔道中,然后預(yù)施應(yīng)力在斷面處并予以錨固,在錨固區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布一般比較復(fù)雜,屬于三向受力狀態(tài).如圖1所示:

圖1 端塊集中力作用

錨塊的巨大預(yù)應(yīng)力通過(guò)構(gòu)件端部的局部受壓區(qū)域,逐漸轉(zhuǎn)換成均勻分布的軸向壓應(yīng)力,同時(shí)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力.在端部力系與梁主體之間,力的傳遞主要呈曲線形力流,力流的曲率大小不一致,存在的區(qū)域應(yīng)力也不相同.在A區(qū)是凸向塊體的中線,產(chǎn)生壓應(yīng)力;在B區(qū)曲率成反向,力流走向與外向彎曲,產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力;在C區(qū)力流呈平行線,又轉(zhuǎn)為軸向壓應(yīng)力.如果要進(jìn)行精確的定量分析,一般采用有限元法.

2 有限元分析箱梁錨固區(qū)局部受力

由于端部錨固區(qū)域的應(yīng)力分布復(fù)雜,通?？刹捎蒙疃扔邢拊７椒?實(shí)體級(jí))來(lái)進(jìn)行精確的分析[3].以下為用有限元分析計(jì)算的不考慮預(yù)留孔道的情形的應(yīng)力分布規(guī)律.

2.1 建立模型

圖2 混凝土錨區(qū)應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)化模型

一般混凝土假設(shè)為線彈性材料,且材料具有一定的抗拉強(qiáng)度.模型如圖2所示.同時(shí)參考OVM15-7全錨具的墊板尺寸參數(shù),模型相關(guān)尺寸取為:c=200mm,a=1000mm,b=600mm,h=1400mm.彈性模量參照混凝土規(guī)范中C50取值為34.5 GMPa,泊松比Vc按規(guī)范采用0.2;所選的單元為ANSYS中的SOLID45單元(8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元),如圖3在模型的底面部位施加位移約束,在墊板上施加44.6MPa的均布?jí)毫奢d,等效于1970.1 kN的局部壓力(其值為OVM15-7錨具中七根鋼絞線施加上0.8倍極限荷載1860MPa時(shí)之和)受荷位置為模型幾何中心.

圖3 有限元分析模型

2.2 有限元分析

圖6 Z方向等值應(yīng)力與位移

豎向壓應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力、豎向剪應(yīng)力如圖4～圖6,在錨具下端截面產(chǎn)生了橫向拉應(yīng)力最大值約1.78MPa和剪應(yīng)力最大值約13.9MPa,同時(shí),劈裂區(qū)內(nèi)橫向拉應(yīng)力沿X軸的最大值為1.7MPa,比Z軸的最大值1.3MPa稍微大一些,這主要是因?yàn)槎私孛娴拈L(zhǎng)短邊尺寸不同.

圖7 von Mises應(yīng)力分布圖

由圖7可以看出,存在兩個(gè)總的受拉區(qū).一個(gè)區(qū)域?yàn)榭v向截面的中心位置,及劈裂區(qū),其最大拉應(yīng)力在荷載作用線上且離荷載作用點(diǎn)的位置有一定距離.另外兩個(gè)小區(qū)域則存在于端部錨具附近的雙肩上,及剝落區(qū),這兩區(qū)域存在較高的拉應(yīng)力(5.4MPa),不過(guò)范圍小.

2.3 數(shù)據(jù)的分析

由上可知:局部壓力引起的短邊橫向拉應(yīng)力更大.錨墊板下沿OY方向的橫向正應(yīng)力分布可采用曲線表示如圖8所示,剪應(yīng)力的縱向分布可如圖9所示.

圖8 OY方向的橫向正應(yīng)力分布

圖9 OY縱向的剪應(yīng)力分布

從圖8中可以觀察到沿豎向方向分布的橫向應(yīng)力,在錨固區(qū)附近的壓應(yīng)力最大,并很快就轉(zhuǎn)化成拉應(yīng)力(劈裂區(qū)),在距錨固區(qū)60cm左右的地方,將變?yōu)榱銘?yīng)力狀態(tài).圖9中顯示剪應(yīng)力在8cm位置處最大,然后逐漸較減為零.

圖10 OY路徑方向的縱向壓應(yīng)力分布

圖上顯示,局部壓應(yīng)力(絕對(duì)值)在承壓板下方附近比較大,將達(dá)到44MPa,但隨著距離的增加,外荷載對(duì)錨下混凝土所產(chǎn)生的縱向壓應(yīng)力會(huì)逐漸減小且趨于均勻,最終恒定于4.43MPa左右.當(dāng)距離等于構(gòu)件截面高度尺寸的范圍之內(nèi)時(shí)(如距離為90cm處),縱向壓應(yīng)力的數(shù)值大小基本將不再發(fā)生變化.

3 結(jié) 論

錨下混凝土的受力情況,屬于典型的局部承壓?jiǎn)栴};局部受壓區(qū)存在著較大的橫向拉應(yīng)力,且在較小面積內(nèi),產(chǎn)生較大應(yīng)力峰值,造成局部壓區(qū)可能產(chǎn)生縱向裂縫[4].有限元計(jì)算分析表明:

(1)錨下截面的壓應(yīng)力非常集中,不過(guò)隨著遠(yuǎn)離錨具的位置,截面應(yīng)力將逐漸擴(kuò)散,直到均勻地傳遞于整個(gè)截面上.

(2)錨下混凝土有兩個(gè)總的橫向拉應(yīng)力分布區(qū)域.一個(gè)在縱向截面中心,可以稱為“劈裂區(qū)”.另外兩個(gè)小區(qū)域則位于端塊正面的錨具附近的雙肩上,可以稱為“剝落區(qū)域”.

4 防治措施

錨固區(qū)的橫向鋼筋配置主要防治橫向破裂拉力[5].在預(yù)應(yīng)力束的垂直方向鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、曲線形鋼筋、螺旋筋、或箍筋等.在隅角處設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)輔助鋼筋.對(duì)于端塊位置的支承墊板緊靠構(gòu)件邊緣,設(shè)置鋼筋骨架,避免了支承墊板作用于混凝土保護(hù)層上.

[1]鐘新谷,等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫防治與研究報(bào)告[R].中南大學(xué),2001.

[2]過(guò)鎮(zhèn)海,等,鋼筋混凝土原理分析[M].清華大學(xué)出版社,2003:193-195.

[3]王新敏.ANSYS工程數(shù)值分析[M].人民交通出版社,2007,

[4]張繼堯,等,懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].人民交通出版社,2004:221-223.

[5]舒 彬.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫分析與防治[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,21(4):105-107.

Numerical Simulation of Prestressed Local Loading in Anchorage Zone

YUAN Guang-ying,WANG Qing-guo
(Shanxi Railway Institute,Weinan 714000,China)

In prestressed concrete structure,microcrack forms and even brittle failure occur very easily in compression zone due to the large concentrated force in anchorage zone,which has a serious effect on service life and safety of structure.If mechanical detailed characteristics in anchorage zone are analyzed clearly and effective countermeasures are adopted,the formation of crack and occurrence of brittle failure can be avoided,and then durability of structure can be increased.

anchorage zone;local loading;numerical simulation

TU311.3

A

1671-119X(2010)04-0093-03

2010-07-12

袁光英(1983-),男,助教,研究方向:工程結(jié)構(gòu)受力分析.