预应力小箱梁端头锚固区局部应力分析

闫 旭 张四国 张一卓

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)



预应力小箱梁端头锚固区局部应力分析

闫 旭 张四国 张一卓

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

利用ANSYS软件，对工程中某预应力小箱梁端头锚固区进行了实体有限元建模分析，探索了锚垫板和锚下混凝土的应力分布情况，分析了施工过程中锚垫板张拉破坏事故的原因，提出了保证预应力小箱梁张拉的安全措施。

有限元，预应力小箱梁，锚固区，应力分析

0 引言

预应力混凝土小箱梁具有自重较轻、抗扭刚度较大、整体性好、施工简单和造价低等优点，在公路桥梁建设中被广泛应用。但在实际运营过程中，小箱梁会出现不同程度的裂缝，严重影响了公路桥涵设计规范中规定的安全性、适用性和耐久性的要求[1]。本文对施工中的某预应力小箱梁在实际张拉过程中发生的锚板脆性断裂和腹板出现裂缝的事故进行了建模分析，探索导致这种工程事故出现的可能原因，并提出了相应的解决措施。

1 工程背景

工程中小箱梁端头锚固区锚垫板布置图如图1所示，箱梁腹板厚度28 cm，锚具类型为OVM15-4，每个预应力孔道内布置公称直径为15.2 mm的4束钢绞线，张拉控制应力为0.73fpk，如图2所示为锚垫板的断面尺寸和平面尺寸：底面圆内径70 mm，底面圆外径90 mm，顶面圆内径80 mm，顶面圆外径140 mm，顶面下凹圆环直径100 mm，顶面螺孔直径10 mm，均布排列，螺孔中心距离顶面圆外边界10 mm，顶面注浆孔内径25 mm，顶面注浆孔外径41 mm，注浆孔平分相邻螺孔，顶和底边缘厚度5 mm，锥形顶折合直径85 mm，锥形底折合直径90 mm，锚垫板高度80 mm，注浆孔的局部大样示意图如图3所示。

预应力张拉过程中腹板钢束N2处锚垫板出现脆性断裂，同时箱梁腹板表面混凝土出现裂纹，为验证张拉预应力束过程中锚垫板和锚下混凝土的安全性，取箱梁腹板上N2位置处的锚固区进行局部应力分析。

2 有限元建模

实际张拉束N2为竖弯钢束，分析截取腹板区域时，沿与钢束平行的方向截取，保证混凝土端面与张拉方向垂直，分析截取的混凝土立方体的尺寸为400 mm×280 mm×500 mm，其中280 mm为腹板厚，500 mm为纵向长度；不考虑锚垫板轮廓交线处的倒圆；不建立预应力钢束，钢束张拉力换算为均布荷载施加在锚垫板凹陷处与锚环的接触面上；考虑箍筋和分布钢筋对混凝土的约束作用。

1)单元选取：锚垫板和混凝土为实体块，均用Solid185单元进行模拟，螺旋筋、锚下钢筋网、箍筋和分布钢筋为线体，均用Link8杆单元模拟。

2)边界条件：约束混凝土块纵向边界0.5 m处节点的自由度，加强筋与混凝土通过耦合自由度进行传力，锚垫板与混凝土接触面通过共用节点进行传力。

3)荷载状况：只考虑预应力效应，换算后每束钢绞线传力246 kN。

4)材料类型：锚垫板为铸铁，弹性模量120 GPa，泊松比0.3；混凝土为C50，弹性模量34.5 GPa，泊松比0.2；加强筋均为钢材，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，螺旋筋直径10 mm，箍筋和锚下钢筋网直径12 mm，分布钢筋直径8 mm。

根据材料力学的相关知识，锚垫板和混凝土材料为脆性材料，在材料性能满足要求且充分发挥的前提下，应根据第一强度理论(最大拉应力)判断安全性，模拟最大拉应力应该不大于材料的许用应力[2]。铸铁的许用拉应力以200 MPa控制；混凝土的极限拉应力为极限压应力的1/8～1/10，即5 MPa～6 MPa，模拟中以5 MPa拉应力进行控制，压应力以50 MPa进行控制。ANSYS中建立的锚垫板、混凝土模型如图4，图5所示。

3 计算结果

3.1 锚垫板应力分析

锚垫板的第一主应力云图如图6所示，图7为剖面应力云图，图7显示，锚垫板最大主拉应力为173 MPa，发生在注浆孔内孔边缘处局部，最大拉应力小于容许应力200 MPa，锚垫板受力安全，不会出现裂纹导致脆性断裂。

3.2 锚下混凝土拉应力分析

混凝土的第一主应力剖面云图如图8所示。

图8显示混凝土的最大主拉应力为51 MPa超出容许应力范围，但范围很小，属于应力集中区域，图9为主拉应力超出5 MPa的区域应力云图，可见与锚垫板顶、底面直接接触的部分混凝土和波纹管端部局部混凝土存在拉坏的可能。图9显示端面破坏的区域相对较大，实际上锚垫板与混凝土之间并非共用节点，混凝土变形膨胀后，锚垫板与混凝土部分脱离，应力重新分配后，端面崩落区范围仅在锚垫板边缘附近的局部区域产生。除此之外，腹板外边缘不会出现受拉破坏裂纹。

3.3 锚下混凝土压应力分析

混凝土的轴向应力剖面云图中超出抗压极限50 MPa的部分应力云图如图10所示。图10显示，仅在与锚垫板接触的部分核心混凝土的压应力超过抗压极限，混凝土表面不会出现受压破坏裂纹。

4 结论及建议

本文通过对施工中张拉破坏的预应力小箱梁端头锚固区局部应力分析，得到结论如下：

1)在锚垫板质量合格的前提下，锚垫板最大主拉应力发生在注浆孔内孔边缘，大小为173 MPa，小于铸铁的抗拉破坏容许应力200 MPa，锚垫板安全。

2)在混凝土振捣密实的前提下，锚下混凝土的破坏区域主要发生在内部核心区域局部和端面锚垫板边缘局部，其余部分不会出现受拉或受压破坏。

3)锚垫板断裂原因分析：规范[3]中对锚具的基本性能要求中规定“预应力筋—锚具组装件的破坏形式应是预应力钢材的断裂(逐根或多根同时断裂)，锚具零件的变形不应过大或碎裂”。工程中某一个锚垫板在预应力钢束断裂前发生脆断，建议对这一个断裂锚垫板的材料性能质量进行试验核查。

4)小箱梁腹板裂纹原因分析：锚垫板脆性断裂后，失去部分承载能力，锚固区应力重分布，分配到混凝土上的张拉荷载加大，混凝土可能无法承受过大的张拉荷载而被压裂。若混凝土振捣不密实、强度不足，也会造成混凝土开裂，建议对出现裂缝区域的混凝土的施工质量进行核查。

为有效避免预应力小箱梁张拉破坏事故，应从以下三个方面采取措施进行预防[4]：1)设计质量：严格按照规范要求对端部锚固区下局部承压进行计算并取一定的安全系数；2)产品质量：锚垫板的采购必须经过严格的质量把关，对存在砂眼、气泡和微裂缝等缺陷的锚垫板应禁止采用；3)施工质量：混凝土在浇捣过程中必须振捣密实，锚下钢筋网和螺旋钢筋必须按照构造要求放置在指定位置，以便对锚下混凝土的开裂形成有效的三向约束作用。

[1] JTG/D 62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] 宋子康,蔡文安.材料力学[M].上海:同济大学出版社,1997.

[3] GB/T 14370—2007，预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].

[4] 党海军,朱尔玉.35 m预应力混凝土箱梁锚垫板张拉破坏事故分析与处理[J].铁道建筑技术,2010(4)：63-65.

Local stress analysis of prestressed small box-girder bridge at the end of anchorage zone

Yan Xu Zhang Siguo Zhang Yizhuo

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

3D solid model of a prestressed small box-girder bridge at the end of anchorage zone was built using ANSYS considering the spiral bar and anchor bar. The stress distribution of the anchor plate and the concrete under the anchor was explored and the reasons for the construction accident was analyzed. Proposed to assure the safety of tension security of prestressed small box-girder bridge.

FEM, prestressed small box-girder bridge， anchorage zone, stress analysis

1009-6825(2016)18-0177-02

2016-04-11

闫 旭(1988- )，男，硕士； 张四国(1973- )，男，高级工程师； 张一卓(1979- )，男，工程师

U441

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