任文輝

（中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855）

0 引言

為了施加可靠、有效的壓應力，對結構采用預應力加固。作為一種主動加固法[1]，預應力加固體系的重點在于預張力的合理設計、錨固及轉向裝置安全可靠。其中錨固體系不僅要承擔預應力的傳遞，還需將產(chǎn)生的集中應力分散傳遞給錨下混凝土錨固裝置[2]。預應力加固錨固體系主要由錨具、錨墊板、螺旋筋及錨固裝置共同組成。

預應力加固橋梁體系中的錨固件是一種特殊構造。國內學者對錨固構造的研究主要聚焦于錨固裝置局部承壓設計、錨固構造配筋設計方法、鋼-混剪力連接件、后錨固群錨設計等，如付星燃等[3]設計了高強耐候鋼結構和超高性能混凝土(UHPC)錨固塊。王艷武等[4]提出一種裝配式錨固裝置并進行實體有限元分析。

國內外學者對體外預應力混凝土梁錨固結構力學性能的研究取得了不少成果，但主要聚焦于錨固區(qū)計算設計方法方面，均偏理論計算，對實踐的指導作用有限，同時針對加固方法、實際加固工程中錨固區(qū)其他合理構造的研究有所欠缺。本文將基于Midas FEA有限元分析對錨固裝置構造進行優(yōu)化，同時提出混凝土錨固裝置配筋設計方法。

1 錨固裝置特點

1.1 結構特點

錨固體系結構有以下特點：

（1）外加預應力結構力筋，特別是體外索加固完全依靠錨固裝置錨固，一旦錨固裝置破壞失效，導致的后果將是災難性的。

（2）不同于新建結構，預應力加固體系中錨固裝置屬后加構造，錨固裝置與原結構的有效連接將直接影響預應力加固效果，因此預應力結構的錨塊與原結構連接設計必須進行嚴格周密的計算，以保證預應力加固結構的安全性和可靠性。

（3）不同于原預應力結構，預應力體外索的錨固較一般體內預應力索困難，如考慮到換索因素，鋼索張拉后錨具后面不能用混凝土封閉，對于錨固區(qū)錨具塊的防腐及耐久性應重點考慮和設計，并留有空間以放置千斤頂和便于鋼索切斷操作。

1.2 設計原則

（1）錨固結構應盡力使主梁受力明確。

（2）盡量減少體外預應力束預留構造對主梁削弱的影響。

（3）體外預應力結構在錨固區(qū)受到很大的局部壓力，為了保證混凝土強度需要在錨固點和附近的橋面板，底板、腹板宜局部進行加固。

（4）錨塊的尺寸應由錨具尺寸、錨具布置、張拉設備尺寸和局部承壓要求來決定，必要時應加大錨塊尺寸。

2 錨固裝置構造優(yōu)化

2.1 錨固區(qū)應力分布

體外預應力加固錨固區(qū)受力非常復雜，在巨大壓應力作用及構造約束的影響下，錨固裝置構造錨固面及與原結構約束邊界常產(chǎn)生較大的拉應力，受預應力布置形式、原結構材質、局部尺寸及受力等因素影響，傳統(tǒng)設計及配筋多集中在錨固構造本身，常忽略了錨固裝置的設置及預應力施加后對原結構的影響。因此，設計時除防止錨固裝置受壓、剪切破壞外還應重點考慮采用預應力加固后如何減小對原結構受力的影響。

為了研究錨固裝置的受力狀態(tài)，采用Midas FEA建立有限元模型分析其錨固區(qū)應力分布情況。模型建立了某橋錨固構造（如圖1所示），單側腹板張拉共計2束10?s15.2mm體外索，張拉控制應力為0.65fpk=1209MPa，考慮結構受力的圣維南原理，有限元模型建立了8m長的梁段。

圖1 錨固裝置有限元模型

縱橋向最大拉應力出現(xiàn)在錨固裝置與箱梁腹板交界處，數(shù)值為6.255MPa；橫橋向最大拉應力出現(xiàn)在錨固裝置下錨點內側邊緣，數(shù)值為6.088MPa；豎橋向最大拉應力出現(xiàn)在錨固裝置上端靠近翼緣板處，數(shù)值為3.405MPa，三向壓應力均集中在錨點位置。錨固區(qū)最大主拉應力為13.271MPa，位置出現(xiàn)在上下錨點與腹板交界處，錨后應力影響區(qū)域長度約為90cm。錨固區(qū)最大主應力云圖見圖2，縱橋向應力云圖見圖3。

圖2 錨固區(qū)最大主應力云圖

圖3 錨固區(qū)縱橋向應力云圖

以上計算結果表明，新增錨固裝置與箱梁腹板交界處縱向拉應力及主拉應力較大，錨固裝置的錨面上部及內側拉應力較大，設計時必須考慮對拉應力較大區(qū)域采取措施，防止錨固裝置受拉破壞

2.2 構造優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)計算結果，新增錨固裝置與箱梁腹板交界處縱向拉應力及主拉應力較大，錨固裝置錨面上部及內側拉應力較大。考慮到鋼材抗拉壓承載能力較強，因此在錨固區(qū)設計時可增設局部鋼構件以改善錨固裝置的受力性能，形成鋼-混錨固結構。錨固區(qū)新增鋼構件示意圖如圖4所示，據(jù)此建立了相應的有限元模型。錨固區(qū)新增鋼板等效應力云圖見圖5，錨固區(qū)優(yōu)化前后應力對比見表1。

表1 （續(xù)）

圖4 錨固區(qū)新增鋼構件示意圖（單位：cm）

圖5 錨固區(qū)新增鋼板等效應力云圖

表1 錨固區(qū)優(yōu)化前后應力對比

由表1可知，錨固區(qū)設置條件有限，錨固裝置尺寸大小設置受限，為有效降低局部應力集中現(xiàn)象，防止混凝土受拉開裂，在錨固區(qū)應力集中區(qū)域通過增加鋼構件能有效改善錨固區(qū)及原梁受力性能，實際施工時也可在混凝土表面刻槽粘貼錨固鋼板，并在條件允許的情況下盡量與原鋼筋相連接。

3 混凝土錨固的配筋

錨固區(qū)內需設置用以抵抗橫向拉力的錨下鋼筋，一般由螺旋筋、封閉箍筋或兩者共同組成，使錨下鋼筋與錨固區(qū)混凝土共同工作，承受劈裂應力，控制局部裂縫，滿足結構的使用要求。同時，在錨固區(qū)的錨具下應預埋鋼墊板，并設置間接鋼筋和附加鋼筋。

針對錨固區(qū)受力特點及傳統(tǒng)方法的局限性，將利用Midas FEA“局部方向內力總和”功能確定錨固區(qū)局部內力并進行配筋設計，結合規(guī)范驗證實際工程中錨固區(qū)的配筋狀況。

箱梁及錨固區(qū)局部構造如圖6所示，錨固區(qū)預應力采用5?s15.2mm鋼絞線，張拉控制應力為0.75fpk=1395MPa，原結構與錨固裝置混凝土標號采用C40，彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0.2，有限元模型如圖7所示。

圖6 錨固區(qū)構造圖（單位：cm）

圖7 錨固區(qū)有限元模型

縱橋向最大拉應力出現(xiàn)在錨固裝置端面與箱梁底板倒角交界處，數(shù)值為2.296MPa；橫橋向最大拉應力出現(xiàn)在錨固裝置端部與箱梁腹板交界處，數(shù)值為0.819MPa；豎橋向最大拉應力位置基本與縱橋向最大拉應力位置相同，稍偏底板側，數(shù)值為0.884MPa，三向壓應力最大均集中在錨點位置。錨固區(qū)最大主拉應力為2.732MPa，位置與縱橋向最大拉應力位置相同，錨后應力影響區(qū)域長度約為60cm。錨固區(qū)最大主應力及縱向應力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 錨固區(qū)最大主應力云圖

圖9 錨固區(qū)縱橋向應力云圖

根據(jù)應力分析結果計算配筋，使用程序提供的“局部方向內力總和”功能，可以獲得計算位置的剖面內力。

錨固區(qū)受力示意見圖10所示，受力特點有：①錨固區(qū)背面Z方向上的剝離力T1；②錨固區(qū)背面Y方向上的破裂力T2；③錨固區(qū)前和箱梁混凝土翼緣上的張拉T3；④錨固區(qū)下部張拉T4；⑤因預應力偏心布置引起的彎矩張力T5；⑥預應力彎起位置張力T6。

圖10 錨固區(qū)受力示意

錨固區(qū)配筋示意圖如圖11所示，其中F1為針對T1的配筋；F2為針對T2,T3的配筋；F3為針對T4,T5的配筋；F4為針對T6的配筋。

圖11 錨固區(qū)配筋示意

按照本節(jié)所述方法，利用Midas FEA“局部方向內力總和”功能確定錨固區(qū)局部內力并進行配筋設計，指導了多座橋梁的加固工程，詳見表2。

表2 理論計算配筋量和實橋配筋量比較

5 結語

預應力張拉后錨固構造區(qū)受力復雜，除直接承受巨大的壓應力外，錨固構造與原結構約束界面常出現(xiàn)較大的拉應力及主拉應力，設計時必須考慮對拉應力較大區(qū)域采取措施，防止錨固裝置受拉破壞，同時也需重視產(chǎn)生的拉應力對原結構局部區(qū)域的影響，必要時需對原結構局部進行加固。

對于錨固區(qū)配筋較為準確的方法是通過建立實體有限元模型確定應力并進行配筋，但應力需通過積分或建立拉-壓桿模型進行拓撲優(yōu)化轉換為內力方可用于直接配筋。本文利用Midas FEA“局部方向內力總和”功能相對準確地得到了關鍵截面的內力，直接可以用于設計配筋，可大幅減少材料浪費，錨固區(qū)配筋合理，且經(jīng)多個工程實踐得以驗證。