超高强度预应力体系UHPC锚固区局部受力分析

2023-07-30李旺旺

铁道建筑 2023年6期

李旺旺

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

UHPC是一种具有超高抗压强度、优异抗拉强度和良好耐久性的水泥基复合材料［1-3］，且在国内外桥梁工程中已有部分应用。1997年加拿大学者最早采用UHPC材料建造了60 m跨度人行桥，近年来中国学者将UHPC成功应用于洞庭湖大桥、马房大桥、佛陈大桥等桥面铺装层，UHPC材料具有良好的应用前景。

随着钢铁冶炼技术的提升和钢材加工工艺的发展，国内外预应力技术水平不断提升，日本、韩国部分工程使用的预应力钢绞线强度已达2 400 MPa级，可有效节省预应力钢材用量，提升工程结构的技术经济性［4］。预应力体系强度提高后，局部锚固区将承受更高的局部应力，对局部受力区锚固体系和混凝土性能的要求也相应提高。

UHPC可很好地适应预应力锚固区超出80 MPa的高应力状态，提高结构的受力性能和耐久性，国内外已有部分学者对UHPC局部受压性能进行了探索。冯峥等［5］将UHPC应用于密集横隔板箱梁锚固区开展足尺模型试验，结果表明UHPC在局部受力区可有效控制裂缝和发挥其抗压强度。杨俊等［6］对UHPC齿块局部进行承压性能试验，通过有限元法探究了UHPC锚固区尺寸效应，结果表明UHPC可显著提升齿块局部抗裂和极限承载力。Choi等［7］研究了后张预应力UHPC梁锚固区局部受压性能，并对锚下钢筋进行了参数化分析，结果表明应用UHPC后可适当简化锚下钢筋布置。

预应力体系强度提高后，UHPC在锚固区的局部受力性能尚不清楚，锚固体系、钢筋配置和锚孔间距对锚固区受力性能的影响需要深入研究。本文通过建立UHPC锚固区局部受力有限元模型，对超高强度预应力作用下UHPC锚固区局部受压进行参数化分析。在优化锚垫板形式的基础上，分析间接钢筋配置、局部尺寸、锚孔间距等因素对UHPC锚固区局部受压性能的影响。

1 超高强度预应力体系UHPC结构参数

1.1 超高强度预应力体系

我国高强度盘条及预应力钢绞线的技术研发已经成熟，具备研发新一代强度等级为2 200 ~ 2 400 MPa预应力钢绞线的技术及应用条件。通过对2 200 ~2 400 MPa等级的超高强度钢绞线和锚固体系开展系统研究，发现各项性能均满足技术标准要求，可在工程结构中予以应用。

UHPC与2 400 MPa等级预应力钢绞线性能具有很好的匹配适用性，本文以2 400 MPa钢绞线为主要分析对象，2 200 MPa作为对比项。超高强度预应力体系参数见表1。

表1 超高强度预应力体系参数

1.2 UHPC材料

根据文献［8-9］确定UHPC材料的力学参数：立方体抗压强度为150 MPa，轴心抗拉强度为7.2 MPa，轴心抗压强度为105 MPa，弹性模量为43.5 GPa。实际UHPC结构中材料性能不应低于上述指标。

2 锚固区分析模型及控制标准

2.1 锚固区分析模型

按照Q/CR905—2022《铁路工程预应力钢绞线用夹片式锚具、夹具和连接器》［10］中传力试验的试件尺寸建立混凝土三维模型，采用布尔几何方法建立钢锚垫板几何模型，螺旋筋、箍筋、纵筋均采用线单元模型。UHPC局部锚固区分析模型见图1。混凝土采用有限元弹塑性损伤本构模型，UHPC考虑受拉本构关系，锚垫板及钢筋采用双线性弹塑性本构关系。混凝土、垫板采用三维六面体缩减积分单元，钢筋采用三维杆单元。混凝土单元长、宽、高均为20 mm，钢筋单元长25 mm，锚垫板单元长、宽、高均为10 mm。

图1 UHPC局部锚固区分析模型

2.2 构件控制标准

基于UHPC材料的受力性能和混凝土局部受压区构件控制标准［10］，提出超高强度预应力体系UHPC锚固区构件控制标准。

1）构件承载能力要求：构件极限承载力应不低于1.2Fptk（Fptk为设计荷载），构件加载至1.2Fptk时不得出现因负刚度引起的不收敛现象，局部受压应力不大于UHPC抗压强度。

2）混凝土开裂控制要求：构件加载至1.0Fptk时控制混凝土试件的拉应力不超过UHPC抗拉强度。

3）锚垫板塑性变形要求：在1.0Fptk时控制等效塑性应变总体不超过1.0%。

3 锚固区局部受力计算结果

3.1 锚垫板结构优化

根据普通混凝土锚固区锚垫板结构形式（M‐1），采用减小板厚、减小板宽和改变结构形式的方式对锚垫板形式进行优化，分析不同锚垫板结构形式下UHPC锚固区受力性能是否满足控制标准。

3.1.1 锚垫板设计参数

针对2 200、2 400 MPa级钢绞线参数，以普通混凝土锚固区锚垫板结构为基础，设计5种结构形式，其截面形式及竖向剖面尺寸见图2，设计参数见表2。

图2 锚垫板竖向剖面尺寸（单位：mm）

表2 锚固区不同锚垫板设计参数

3.1.2 锚垫板受力分析

由于不同形式锚垫板分析结果类似，以M‐5锚垫板分析结果为例进行说明。M‐5锚垫板试件加载至1.0Fptk时，混凝土侧面的主拉应力为4.99 MPa，满足控制标准中混凝土开裂控制要求，见图3（a）。钢锚垫板的最大等效塑性应变为0.62 × 10-2，满足控制标准中锚垫板塑性变形要求，见图3（b）。加载至1.2Fptk时，M‐5锚垫板刚度未出现负刚度和不收敛现象，见图3（c）。主压应力为123.01 MPa，满足控制标准中构件承载能力要求，见图3（d）。

图3 锚固区局部受压计算结果

不同锚垫板形式下UHPC锚固区受力计算结果见表3。其中，M‐1—M‐3模型是一个系列，M‐4—M‐6是一个系列。可知：①随着锚垫板体积减小，构件主压应力有增大趋势。与M‐1相比，M‐2混凝土主拉应力和锚垫板塑性应变均显著增大。②随着锚垫板结构质量减小，混凝土主拉应力和锚垫板塑性应变无明显变化趋势。③M‐5锚垫板各项分析指标满足制标准要求，是UHPC锚固区较为合理的锚垫板形式，且其质量仅为普通混凝土锚垫板质量的35%。

表3 不同锚垫板形式下UHPC锚固区受力计算结果

3.2 间接钢筋

以2 400 MPa级钢绞线参数和M‐5锚垫板形式为基础，分析超高强度预应力UHPC局部锚固区纵向钢筋、箍筋和螺旋筋对UHPC局部受力性能的影响。

3.2.1 间接钢筋设计参数

既有箱梁（通桥2322A‐2016）梁端锚固区纵筋截面比为0.71%，箍筋配筋率为208 kg/m3，据此设计UHPC锚固区间接钢筋参数，螺旋筋采用HPB300级钢筋，箍筋和纵筋采用HRB400级钢筋，见表4。其中，R‐1按Q/CR905—2022要求的间接钢筋配置，R‐2按既有箱梁（通桥2322A‐2016）锚固区间接钢筋配筋率配置，R‐3—R‐6采用本文设计参数。