謝玉萌， 朱自萍， 王 倩

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)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(qū)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(qū)因配筋不當導致出現(xiàn)裂縫的事件較多。裂縫通常發(fā)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(qū)進行合理的抗裂鋼筋設計[1,2]。

美國《AASHTO LRFD規(guī)范》中明確將混凝土梁橋結構劃分為B區(qū)和D區(qū),分別進行設計,并給出了一些典型D區(qū)的設計方法。箱梁錨固區(qū)應力場較為復雜，屬于D區(qū)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(guī)范》(JTG 3362-2018)中參考了美國《AASHTO LRFD規(guī)范》首次給出的應力擾動區(qū)(D區(qū))的概念,并將后張錨固區(qū)劃分為局部區(qū)和總體區(qū)兩個區(qū)域,分別計算[5]。局部區(qū)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(guī)范》(JTG D62-2004)中已經(jīng)給出錨下局部受壓承載力的驗算公式?？傮w區(qū)的范圍為局部區(qū)之外的錨固區(qū)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(guī)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(qū)的驗算模式進行探討,并結合有限元分析結果,確定錨固區(qū)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(qū),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(qū)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(qū)有限元計算

2.1 計算模型

由于負彎矩錨固區(qū)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(guī)范》(JTG 3362-2018)8.2.6條，進行三角齒塊錨固區(qū)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(qū)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(qū)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(jié)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(qū)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(jù)上述有限元模型,對負彎矩區(qū)段T1(M15-4)、T2(M15-3)、T3(M15-4)錨固區(qū)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(qū)段應力分布,如圖4所示。

圖4 T1區(qū)段應力分布圖(單位：MPa)

由圖4可以看出，T1區(qū)段張拉預應力之后,縱橋向應力主要集中在端部錨固區(qū),橫橋向可引起開槽附近產(chǎn)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(guī)的三角齒塊錨固區(qū)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(qū)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(qū)來計算。T3區(qū)段和T1區(qū)段情況基本一致。

3 箱梁負彎矩錨固區(qū)配筋計算

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

3.1 受力計算

計算參數(shù)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(nèi),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(qū)受力復雜,是典型的D區(qū)設計范疇,根據(jù)新頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)中后張預應力錨固區(qū)計算的相關內(nèi)容,并結合有限元分析結果,確定負彎矩三角齒塊錨固區(qū)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(qū)有別于常規(guī)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(nèi)部。若采用常規(guī)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(qū)公式進行錨固區(qū)配筋設計。新規(guī)范明確了錨固區(qū)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。