石龍 馬林 陳勝利 蘇永華

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

截至2020年12月，全國鐵路營業(yè)里程已達14.63萬km，其中高速鐵路3.8萬km。根據(jù)《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，到2035年，全國鐵路營業(yè)里程將達到20萬km，其中高速鐵路7萬km左右。由于高速鐵路橋梁比例較高，且多以混凝土橋為主，未來鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁仍有大量的應(yīng)用需求。

目前，我國主要使用1 860 MPa級預(yù)應(yīng)力鋼絞線及配套夾片式錨固體系，普遍應(yīng)用于高速鐵路、客貨共線鐵路、重載鐵路橋梁建設(shè)［1］。隨著鋼鐵冶煉技術(shù)、加工工藝的發(fā)展，國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平不斷提升，提高了預(yù)應(yīng)力體系強度，可有效節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材用量，提升工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟性。推動我國預(yù)應(yīng)力體系的技術(shù)升級，對提高鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的技術(shù)水平意義重大。

預(yù)應(yīng)力錨固體系包含錨板、夾片、錨墊板等，是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。20世紀90年代初，我國逐漸使用強度1 860 MPa級預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨固體系；90年代末，2 000 MPa級的鋼絞線已研發(fā)成型，在公路橋梁領(lǐng)域有一定應(yīng)用［2］。然而，由于高強度預(yù)應(yīng)力錨固體系的應(yīng)用技術(shù)研究不足，我國鐵路混凝土橋基本使用1 860 MPa級預(yù)應(yīng)力鋼絞線，未能推廣使用2 000 MPa級預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

本文基于2 000 MPa級高強度鋼絞線的應(yīng)用需求，開展配套錨固體系的設(shè)計、計算及試驗研究，為高強度預(yù)應(yīng)力體系的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 高強度錨固體系設(shè)計

1.1 夾片及錨板設(shè)計

為保證錨固的可靠性，方便錨具加工和張拉操作，2 000 MPa級夾片和錨板在構(gòu)造形式上采用1個錨固單元錨固一根鋼絞線的群錨結(jié)構(gòu)［3］。2 000 MPa級夾片材料選用20CrMnTi。夾片結(jié)構(gòu)形式為圓形，采用直分兩片四開式；夾片設(shè)彈性槽，小端內(nèi)孔設(shè)倒錐截齒，以兼顧靜力錨固和疲勞受力性能；錐面光潔度采用皂化防銹處理。2 000 MPa級夾片見圖1。

圖1 2 000 MPa級夾片（單位：mm）

2 000 MPa級錨板材料選用優(yōu)質(zhì)45號碳素鋼。錨板錐孔呈同心圓均布排列，錐孔軸線與錨板軸線平行。錨板厚度和直徑需滿足TB/T 3193—2016《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器》［4］中錨板受力和變形的要求，并不小于規(guī)范最小尺寸。錨板最高規(guī)格是22孔，以22孔規(guī)格為例，2 000 MPa級錨板見圖2。

圖2 2 000 MPa級22孔規(guī)格錨板（單位：mm）

1.2 鋼錨墊板設(shè)計

傳統(tǒng)1 860 MPa級錨固體系采用的鑄鐵錨墊板生產(chǎn)成本高，因此，結(jié)合高強度預(yù)應(yīng)力錨固體系，研發(fā)兼具環(huán)保和技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢的鋼錨墊板。綜合考慮錨固區(qū)結(jié)構(gòu)受力、錨墊板加工制造、錨墊板經(jīng)濟性等情況對鋼錨墊板進行設(shè)計。2 000 MPa級鋼錨墊板幾何模型見圖3，其胚料全部采用鋼管，剪裁成相應(yīng)肋板和豎筒，組合焊接成型。鋼錨墊板采用45號鋼管。錨墊板最高規(guī)格是19孔，以19孔規(guī)格為例，2 000 MPa級鋼錨墊板見圖4。

圖3 2 000 MPa級鋼錨墊板幾何模型

圖4 2 000 MPa級19孔規(guī)格鋼錨墊板（單位：mm）

2 高強度錨固體系計算

2.1 錨板計算

參考文獻［5］的方法進行錨板計算。TB/T 3193—2016中規(guī)定，設(shè)計錨板須滿足受力和變形的要求：①當(dāng)錨板承受荷載達到0.95fptk（fptk為鋼絞線公稱抗拉強度標準值）后釋放荷載，錨板的殘余變形撓跨比不應(yīng)大于1/600；②當(dāng)錨板承受荷載達到1.2fptk時，錨板不應(yīng)有肉眼可見裂紋或破壞。采用彈塑性有限單元法開展錨板的計算分析，45號鋼的性能參數(shù)參考文獻［6］，抗拉強度600 MPa，屈服強度355 MPa，彈性模量210 GPa，斷后伸長率16%。

選擇6孔、12孔、19孔和22孔規(guī)格錨具進行彈塑性有限元分析，結(jié)果見表1。可知，錨板的殘余變形撓跨比為1/2 800～1/1 000，von Mises應(yīng)力為430～500 MPa，滿足規(guī)范限值要求并具有一定的安全儲備。

表1 不同規(guī)格錨板有限元分析結(jié)果

2.2 鋼錨墊板計算

鋼錨墊板作為關(guān)鍵部件，將錨板的力傳遞至錨固區(qū)混凝土，其受力性能主要通過錨墊板傳力構(gòu)件的受力性能來評價（圖5）。依據(jù)JGJ 85—2010《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［7］，傳力構(gòu)件受力需滿足：①加載到0.8Fptk（Fptk為錨墊板設(shè)計荷載）時，傳力構(gòu)件混凝土最大裂縫寬度應(yīng)小于等于0.20 mm；②加載到1.0Fptk時，鋼錨墊板不出現(xiàn)裂縫；③加載到1.2Fptk時，傳力構(gòu)件不破壞。

圖5 鋼錨墊板傳力構(gòu)件

采用彈塑性實體有限元進行鋼錨墊板傳力構(gòu)件受力分析，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用考慮破壞階段的彈塑性損傷本構(gòu)模型［8］。有限元計算時傳力構(gòu)件的控制標準為：①采用最大單元應(yīng)變間接控制裂縫寬度，混凝土單元尺寸為20 mm，加載至0.8Fptk時最大單元應(yīng)變不超過0.010；②對于鋼錨墊板，加載至1.0Fptk時等效塑性應(yīng)變不超過2.0%；③加載至1.2Fptk時控制構(gòu)件承載力-豎向位移曲線不得出現(xiàn)因負剛度引起的不收斂。

19孔規(guī)格傳力構(gòu)件損傷度及應(yīng)變見圖6，加載至1.2Fptk時構(gòu)件的承載力-豎向位移曲線，見圖7?？芍孩偌虞d至0.8Fptk時，損傷度為0.953時的混凝土側(cè)面損傷應(yīng)變換算值為0.008 3，滿足控制標準中混凝土開裂控制要求。②加載至1.0Fptk時，鋼錨墊板的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.3%，滿足控制標準中錨墊板塑性變形要求。③加載至1.2Fptk時，剛度有損失，但未出現(xiàn)負剛度和曲線不收斂現(xiàn)象，滿足控制標準中構(gòu)件承載能力要求。

圖6 傳力構(gòu)件損傷度及應(yīng)變

圖7 加載至1.2F ptk時構(gòu)件承載力-豎向位移曲線

3 高強度錨固體系試驗

3.1 錨板及夾片試驗

1）硬度試驗

錨板及夾片設(shè)計時，依據(jù)TB/T 3193—2016的要求，100幅夾片有600個測點，100個錨板有300個測點；夾片表面硬度不應(yīng)小于79 HRA，錨板表面硬度不應(yīng)小于20 HRC。

實測100幅夾片和100件錨板的表面硬度分布見圖8?？梢姡孩倏傮w上夾片表面硬度呈正態(tài)分布，75%以上的測點硬度分布在81.0～83.5 HRA；②夾片表面硬度最大值為84.4 HRA，最小值為80.0 HRA，平均值為82.1 HRA，滿足不小于79.0 HRA的要求；③總體上錨板表面硬度分布集中在27.0～33.0 HRC，占全部測點的78%以上；④錨板表面硬度最大值為34.0 HRC，最小值為25.0 HRC，平均值為29.8 HRC，滿足不小于20.0 HRC的要求。

圖8 表面硬度分布

2）靜載錨固性能試驗

依據(jù)TB/T 3193—2016開展錨板、夾片、鋼絞線組裝件的靜載錨固性能試驗，要求錨板和夾片的靜載錨固性能同時滿足錨具效率系數(shù)ηa≥95%和實測極限拉力總應(yīng)變εapu≥2.0%兩項要求。

2 000 MPa級錨具靜載錨固性能試驗結(jié)果見表2。

表2 2 000 MPa級錨具靜載錨固性能試驗結(jié)果

由表2可見：ηa>95.6%，εapu>2.5%，滿足規(guī)范限值。

3）疲勞性能試驗

依據(jù)TB/T 3193—2016開展錨板、夾片、鋼絞線組裝件的疲勞性能試驗，要求疲勞性能應(yīng)滿足試驗應(yīng)力上限，取fptk的65%，疲勞應(yīng)力幅100 MPa。試件經(jīng)受200萬次循環(huán)荷載后，錨具零件不應(yīng)疲勞破壞，且鋼絞線因錨具夾持作用發(fā)生疲勞破斷的截面面積不應(yīng)大于試件總截面面積的5%。2 000 MPa級錨具疲勞性能試驗結(jié)果見表3?？芍煌?guī)格錨具組裝件在疲勞次數(shù)超過200萬次時鋼絞線均未發(fā)生斷絲，疲勞性能滿足規(guī)范要求。

表3 2 000 MPa級錨具疲勞性能試驗結(jié)果

4）錨板強度試驗

為了保證錨板的受力性能和安全性，TB/T 3193—2016提出了錨板強度試驗的要求：錨板強度靜載承壓試驗中，在施加荷載達到0.95fptk后釋放荷載，錨板殘余變形撓跨比不應(yīng)大于1/600；在加載荷載達到1.2fptk時，錨板不應(yīng)有肉眼可見裂紋或破壞。

2 000 MPa級錨具錨板強度試驗結(jié)果見表4（每種規(guī)格選5個錨板）?？芍孩偌虞d至0.95fptk后釋放荷載，不同規(guī)格的錨板殘余變形撓跨比不大于1/1 477，滿足規(guī)范限值要求。②加載至1.2fptk時，各規(guī)格錨板均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋或破壞。2 000 MPa級錨具的錨板強度試驗各指標均滿足規(guī)范要求。

表4 2 000 MPa級錨具錨板強度試驗結(jié)果

3.2 鋼錨墊板錨固區(qū)傳力性能試驗

依據(jù)JGJ 85—2010開展鋼錨墊板的錨固區(qū)傳力性能試驗，分析采用鋼錨墊板時錨固區(qū)混凝土在荷載作用下的受力性能，試驗工裝見圖9。

圖9 鋼錨墊板錨固區(qū)傳力性能試驗工裝

以19孔規(guī)格鋼錨墊板為例，開展了3個傳力構(gòu)件的試驗。試驗結(jié)果如下：

1）加載至0.8Fptk時，3個傳力構(gòu)件混凝土裂縫寬度最大值分別為0.14、0.10、0.11 mm，均滿足小于0.20 mm的限值要求；

2）加載至1.0Fptk時，3個傳力構(gòu)件的鋼錨墊板均未出現(xiàn)裂縫，未發(fā)現(xiàn)其他破壞現(xiàn)象；

3）加載至1.2Fptk時，3個傳力構(gòu)件均未發(fā)生破壞，鋼錨墊板未出現(xiàn)裂縫，說明研發(fā)的鋼錨墊板可滿足規(guī)范中錨固區(qū)傳力性能要求。

4 結(jié)論

1）通過彈塑性有限元分析，本文設(shè)計的錨板的殘余變形撓跨比為1/2 800～1/1 000，von Mises應(yīng)力為430～500 MPa，滿足規(guī)范限值要求。

2）鋼錨墊板采用鋼管剪裁、組合焊接的形式，彈塑性有限元分析結(jié)果表明，錨墊板傳力構(gòu)件的裂縫寬度、強度等各項指標均滿足規(guī)范要求。

3）錨板和夾片的表面硬度分布范圍合理，夾片表面硬度最小值為80.0 HRA，錨板表面硬度最小值為25.0 HRC。錨板、夾片和鋼絞線組裝件的靜載錨固性能、疲勞性能均滿足規(guī)范要求。

4）19孔規(guī)格鋼錨墊板的錨固區(qū)傳力性能試驗表明，加載至0.8Fptk（Fptk為錨墊板設(shè)計荷載）時傳力構(gòu)件混凝土裂縫寬度不大于0.14 mm，加載至1.2Fptk時傳力構(gòu)件未破壞、鋼錨墊板未開裂，滿足規(guī)范限值要求。