大吨位锚下局部应力的试验研究

徐闯

摘要：以黑龙江省林泉公路通河松花江大桥锚下处理为依托，选取最大悬臂长时的施工阶段为计算分析对象，通过建立等高、等厚、等长的节段模型，设置相同的钢束，只考虑最不利状态下腹板悬浇束与顶板悬浇束间的合成作用，得到应力、应变数据，结合模型分析，总结出大跨径箱梁腹板、顶板大吨位锚下受力特性及规律：张拉顶板预应力束时，在距离锚垫板范围约25cm处，混凝土横向和竖向拉应力较大，此处受力最不利；腹板束薄腹板处锚下竖向拉应力为其主要控制应力。在设计中，锚下混凝土在大吨位预应力作用下，除了布置螺旋箍筋，还必须增加横向连接钢筋使螺旋箍筋与腹板两侧钢筋网片形成封闭箍筋笼，且应加密。由此既能提高锚下混凝土承压的能力，又能提高腹板混凝土保护层的抗裂性能。

关键词：大跨径箱梁；大吨位；锚下；局部应力

中图分类号：S77；TU7

文献标识码：A

文章编号：1001-005x（2015）04-0140-04

大跨径连续箱梁桥在悬臂浇筑施工过程中，大吨位集中预加力作用于箱梁顶板、腹板上，锚下局部承压区的受力状况较为复杂。总结大跨径连续箱梁大吨位锚下腹板、顶板受力规律和特性，确保大桥锚下混凝土在大吨位张拉力作用下不出现开裂，确定合理的施工工序及锚下处理方案，对优化设计及指导施工有很大的作用。

本文以黑龙江省林泉公路通河松花江大桥锚下处理为依托，研究大吨位锚下受力规律及处理方案。

1 工程概况

1.1 桥梁简介

通河松花江大桥桥梁全长2578.28 m。主桥结构为预应力混凝土连续箱梁跨径布置为63+4×ll0+63m，桥梁全宽21.5m，双向共四车道。主梁采用单箱双室断面，墩顶梁高6m，跨中梁高2.5m。

主桥采用悬臂浇筑平衡法施工，每个T墩分为20个节段（0～19号），每个节段上箱梁底按直线变化，悬浇长度依次为2.0 ～3.75m，中跨合拢段长度为2m，边跨为1.5m，边跨现浇段长度为7.5m。

1.2 纵向钢束布置

通河大桥主梁纵向预应力采用大吨位群锚体系，本次仅研究纵向钢束。纵向钢束布置如图1所示。

2 特征实验节段选择

由于悬浇束和合拢束集中力的作用方向相反，研究锚下局部应力选取最不利特征节段时，不考虑悬浇束和合拢束效应的叠加，只考虑腹板悬浇束与顶板悬浇束间的合成作用。

采用SAP2000（Ver 10.0）分析软件中的桥梁分析模块，选取最大悬臂长时的施工阶段为计算分析对象。验证在各钢束的综合作用下，各截面的正应力变化如图2所示。

由图2可以看出，在9号块和15号块附近（即F9-1、F15钢束附近截面），由于截面尺寸、钢束数量发生了变化，截面的正应力发生了明显的变化。由此说明，F9-1、F15钢束附近截面的应力变化较大，应作为模型试验的特征节段。

3 模型试验及数据分析

3.1 试验模型

以通河松花江大桥实际断面尺寸为基础，本次模型进行足尺模型设计。对称性是单箱双室截面特征，试验模型也设计为对称的单箱单室截面。模型高度取9号梁段实际高度3.7m，模型两侧腹板分别代表9和15号梁段腹板厚度50cm与60cm，顶板厚度取为30cm，腹板与顶板承托均按施工图图纸取值，整个试验模型长10m。如图3所示。

试验模型内共布置3束φs15.2-19、2束φs15.2-17、2束φs15.2-15钢绞线。其中腹板宽度50 cm侧是为试验顶板钢束锚下应力设计，顶板布置2束φs15.2-15钢绞线，腹板布置1束φs15.2-19钢绞线；腹板宽度60cm侧是为试验双腹板钢束锚下应力设计，腹板布置2束φs15.2-19钢绞线；底板齿板布置2束φs15.2-17钢绞线。

3.2 纵向锚下应力试验结果

通过试验数据发现，每根钢束张拉时，变化较大的只有布置在该束锚下的应力应变测点，其余位置处应变测点仅有极小变化，为了便于分析比较，根据有限元计算结果，给出相应测点的应变的理论值。

3.2.1 预埋测点（以顶板束为例）

根据试验结果，除了极少几个测点以及锚端的第一个截面外，其余各点实测值與理论值误差都小于25qo。处于锚下第一个截面的纵向压应力和应变的理论值远大于实测值，这主要是因为有很大一部分的压应力转移到了锚垫板下的喇叭管上，如图4所示。

3.2.2 表面测点（以腹板束为例）

由表1可以看出，纵向应变的实测值与理论值接近，预应力筋附近纵向压应变较大。

3.3 理论分析

（1）顶板束。选取顶板钢束S1张拉时其锚下相应控制点的应力变化情况如图5所示。

由图5可以看出，纵向压应力最大值处于张拉端下方孔道周边处，值为33.72MPa，随着远离端面，外部荷载对于锚下混凝土的纵向压应力渐次减小，至端面大约1.5m处，其值逐渐稳定在2.0MPa左右。

（2）腹板束。试验模型布置了两个顶板束Fl和F2，选取Fl锚下相应控制点应力的变化，其锚下混凝土的三向应力传递分布如图6所示。

由图6可以看出，纵向的压应力的应力集中出现在端面下方的孔道周边，值为46.64MPa，随着远离端面，外部荷载对于锚下混凝土的纵向压应力渐次减小，至张拉端约2.0m处，其值逐渐稳定在2.0MPa左右。

4 结论

通过测试与分析通河松花江大桥试验模型锚固区附近混凝土的应变，结合有限元模型数值分析，得出以下结论：

张拉顶板预应力束时，锚下各个点混凝土应变值与张拉预应力值基本上成线性关系，锚垫板下混凝土处在弹性工作状态，锚下的混凝土受力安全。在距离锚垫板范围约25cm处，混凝土横向和竖向拉应力较大，此处受力最不利；其它位置应力较小。

腹板束薄腹板处锚下竖向拉应力为其主要控制应力，在设计中要采取适当措施，防止腹板出现沿预应力孔道的裂缝。腹板束锚下混凝土在大吨位预应力作用下，除了布置螺旋箍筋，还必须增加横向连接钢筋使螺旋箍筋与腹板两侧钢筋网片形成封闭箍筋笼，且应加密。由此既能提高锚下混凝土承压的能力，又能提高腹板混凝土保护层的抗裂性能。