预应力混凝土箱梁底板锚固块构造及其受力性能

樊俊亮

（甘肃省公路建设管理集团有限公司 甘肃兰州 730030）

预应力混凝土箱梁底板锚固块构造及其受力性能

樊俊亮

（甘肃省公路建设管理集团有限公司 甘肃兰州 730030）

为了对不同情况下的构造预应力混凝土箱梁底板锚固块在预应力钢束根数不同的情况下受力性能的揭示，本文针对几种典型的大跨度预应力混凝土箱梁底板的锚固块构造进行了统计和分析，并通过有限元软件的使用实现了对构造不同的锚固块的模拟，同时针对以下几种情况展开了分析：①锚固块受到预应力筋作用时相应区域混凝土的受力性能；②参数化分析了影响锚固块受力性能的因素；③对不同预应力束数对应的箱梁底板上、下缘进行配筋，并根据规范进行验算。从而得到预应力混凝土箱梁底板锚固块张拉预应力钢束时的受力特点，确定了影响锚固块受力性能的关键因素，并给出了合理的底板锚固区配筋形式，可为设计计算同类桥梁的底板锚固块构造提供参考。

预应力；混凝土；箱底板；锚固快；构造

1 引言

在体外预应力混凝土桥梁中，体外束常常通过突出于箱梁内壁上的矩形锚固块锚固。由于体外预应力仅仅依靠锚固块承受，一个锚固块承受的荷载通常在几百吨量级，一旦锚固块受损，后果极其严重。因此，体外预应力混凝土桥梁锚固块必须比一般体内预应力混凝土桥梁锚固构造安全系数更大。锚固块是体外预应力混凝土桥梁的关键构造之一，其结构的合理性对桥梁的疲劳、耐久性、承载能力起着至关重要的作用。

2 锯齿块关键构造参数统计

2.1 锯齿块构造

锚固锯齿块构造位于混凝土顶、底板上。预应力钢束在锚固端一般会弯起一定角度，锯齿块要保证锚固端与钢束垂直。因此锯齿块一边和钢束弯起角度平行；另一边位于钢束锚固端，与钢束垂直。锯齿块宽度依据横向钢束股数而定，股数越多横向宽度越大。

2.2 两座有代表性桥梁的统计结果

一般情况下，混凝土板配置上下两层直径为25mm的钢筋，钢筋根数和钢束根数呈正相关。距离锯齿块较近的一层钢筋较长，长度达到7m，包含整个锯齿块区域并向两侧延伸1～2m；距离锯齿块较远的一层钢筋相对较短，长度一般在4～5m，同样包含整个锯齿块区域，并向两侧延伸。

2.3 分析选取参数

工程中常用的顶板锚固锯齿块高度和宽度相对固定，略大于锚头的尺寸，保证预应力钢束能够正常锚固。变化的参数一般为钢束根数、混凝土板厚、钢束弯起角度和钢束弯起半径。通常情况下，选取钢束根数为12根、混凝土板厚22cm、钢束弯起角度15°、钢束弯起半径5m的锯齿块作为基准锯齿块进行对比分析。

3 分析方法

3.1 有限元模拟方法

采用大型通用有限元软件ANSYS进行结构受力性能参数化分析，对锚固锯齿块进行模拟。其中混凝土采用SOLID65单元进行模拟，预应力钢筋采用LINK8单元进行模拟。

3.2 约束和荷载

考虑到约束条件对锚固锯齿块受力会有一定影响，为尽量减小约束的影响，将约束设置在纵、横桥向距离锯齿块两边各4m的位置（该距离大于锯齿块本身x方向尺寸），约束住模型x方向两端节点所有自由度进行计算。预应力钢束和混凝土之间采用约束方程的方法进行约束。

4 锚固锯齿块受力性能影响因素

为方便计算结果之间比较，将计算得到的混凝土底板上、下缘中间位置的主拉应力（即坐标y＝0、z＝0和y＝0、z＝－hc位置的所有节点主拉应力）作为比较对象。

4.1 钢束根数

这里给出的主拉应力为未配置纵向钢筋时混凝土的主拉应力，仅为分析锚固块在预应力钢绞线张拉作用下受力特点。实际工程中在锚固块配置普通钢筋后，混凝土主拉应力会大幅减小。配置适当钢筋后，各个截面承载力符合规范要求。

4.2 混凝土底板板厚

计算得到不同混凝土底板板厚对应的混凝土上、下缘主拉应力分布趋势和不同钢束根数对应的趋势基本相同。通过计算可以发现，混凝土上、下缘对应最大的主拉应力位置基本相同。因此这里仅给出采用不同混凝土底板板厚混凝土底板上、下缘主拉应力最大值与对应板厚的关系。也就是说混凝土底板上缘（即预应力钢绞线锚固一侧）最大的主拉应力大于混凝土底板下缘最大的主拉应力。随着混凝土底板板厚增加，混凝土主拉应力逐渐减小，但小幅度很小。其中板厚22cm时对应的混凝土底板上缘混凝土主拉应力最大值为10.3MPa；当板厚增加到28cm时，对应的上缘混凝土主拉应力最大值减小为9.9MPa，仅减小3.9％。下缘混凝土最大的主拉应力由22cm对应的5.6MPa下降到28cm对应的5.6MPa，减小10.7％。由此说明，混凝土底板板厚对混凝土底板锚固区域受力的影响较小。

4.3 弯起角度

不同弯起的角度会引起锚固块尺寸的变化。同样高度的锚固块，弯起的角度越小，对应的锚固块长度越大。由图中可以看出，钢束弯起的角度在10～15°范围内，随着弯起的角度增加，混凝土底板上缘主拉应力最大值逐渐减小，下缘的主拉应力最大值逐渐增加，主拉应力最大值变化的幅度很小。弯起的角度增大到20°时，上缘的主拉应力最大值增大为11.2MPa，较15°对应的10.3MPa增大了8.7％，增幅也比较小。通过以上计算分析得到，钢束弯起的角度对混凝土底板受力影响较小。弯起的角度15°是一个对混凝土底板受力较有利的选择。

4.4 弯起半径

如图1所示为钢束弯起的半径与混凝土主拉应力最大值对应关系。由图中可以看出，钢束弯起的半径在6～8m范围内，随着弯起的半径增加，混凝土底板上缘主拉应力最大值逐渐增大，下缘的主拉应力最大值逐渐减小，主拉应力最大值变化的幅度很小。弯起的半径增大到8m（工程中已经十分少见）时，上缘的主拉应力最大值增大为10.9MPa，较8m对应的10.3MPa增大了5.8％，增幅也比较小。通过以上计算分析得到，钢束弯起的半径对混凝土底板受力影响较小。弯起半径6m是一个对混凝土底板受力较有利的选择。

图1 钢束弯起半径与混凝土主拉应力最大值对应关系

5 结语

通过对两座典型预应力混凝土箱梁中选用的锯齿块进行归纳，参数化分析了不同构造及钢束根数对锯齿块受力性能的影响，并对锯齿块及附近区域进行了截面验算和配筋，得到如下结论：

（1）现有锚固锯齿块的构造基本合理，依据实际情况对锚固锯齿块的尺寸进行小幅修改对锚固锯齿块受力无太大影响。

（2）锚固锯齿块中张拉的预应力钢束根数对锯齿块受力起决定性作用，应根据实际张拉的预应力钢束根数对锯齿块进行配筋。

（3）根据有限元计算及对截面配筋的结果，锯齿块与底板交界靠近张拉端的位置底板上缘的混凝土及锯齿块中间位置对应底板的下缘混凝土受到较大拉应力。相应的锯齿块位置底板应对称配置适量钢筋防止底板开裂。

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[3]谷丹丹，李静辉.斜交角对连续小箱梁桥横向分布系数影响[J].低温建筑技术，2016（03）.

U442

A

1004-7344（2016）23-0143-02

2016-7-27

樊俊亮（1988-），男，助理工程师，本科，毕业于兰州理工大学土木工程学院，道路桥梁专业，主要从事高速公路修建管理工作。