槽孔组合反力台座设计分析

程班军 姜 娜 袁苗苗 邱国桥 卢文胜

（1.同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系，上海200092；2.上海应用技术大学艺术与设计学院视觉传达系，上海201418）

0 引 言

槽式反力台座是一种常见的大型土木工程结构加载试验设施［1］，通常采用型钢混凝土结构形式，其构造特点是沿台座可布置多条槽道，使用时沿槽道纵向任意位置可灵活布置锚固点（以下简称槽式台座）。该类型台座槽口局部型钢混凝土可承受竖向拉力，对不同规格尺度的试件和反力装置的固定、加载和测试有较强的适应性。然而，尽管槽式台座已经广泛应用，但其设计分析较多依赖于经验判断，缺乏明确的性能指标；施工时台座内型钢与钢筋布置相互交织，放线和安装定位费时费力，且混凝土浇筑施工干扰较大；使用时台座顺槽向受力性能较好，横向性能较差。因此，该传统槽式台座的应用受到一定的限制。

随着试验技术的发展，近年来出现了布置套筒锚孔的槽锚组合反力台座，大大改善了槽式反力台座双向受力性能，但依然存在受力性能指标不清、施工干扰大等的诸多困难［2-3］。

本文提出一种新型的槽孔组合反力台座，设置深槽孔与槽道进行组合，相比传统的台座形式主要有以下改进：

（1）提升了槽式台座的承载能力及使用功能；

（2）优化了槽道的型钢与钢筋布置方式，可实现型钢与钢筋笼模块化工厂制备，大幅度减少施工干扰并降低现场施工难度；

（3）基于力学性能分析和有限元模拟验证，提出了槽孔组合反力台座的关键参数和设计方法。

1 槽孔组合反力台座的力学性能

1.1 槽孔组合反力台座基本构成

如图1（a）所示，槽孔组合台座将传统槽式台座和槽锚台座进行了改进与融合。槽式台座［图1（b）］单点的承载力有限，单点抗拔力一般小于200 kN［4］。

槽锚组合台座中锚杆采用无黏结的设计方案［图1（c）］，单个锚杆承载力在500 kN左右，大大提升了台座的工作性能；其钢结构部分为预加工后单件安装，或者多件整体焊接并吊装就位的方式进行施工，误差调整后，再进行钢筋或预应力筋的施工，最后浇筑混凝土。由于传统台座多基于经验设计施工，缺乏合理的计算模型和设计方法，施工时钢筋笼与型钢结构穿插布置，甚至需要先将预制钢构吊起、悬空穿插钢筋，致使其关键受力骨架和部件难以定位，施工工序相互干扰多、难度大、精度差、返工多、效率低。

本文提出的新型槽孔组合反力台座，将传统槽式台座中的槽口预埋型钢-1［图1（b）］由槽道下方厚板处调整到了槽道两侧深梁处［图1（d）］，同时将锚孔改进为深槽孔［图1（e）］，既改善了槽道受力模型及施工流程，又降低了施工精度要求和运维难度。

图1 槽孔组合台座与传统台座结构对比示意图（单位：mm）Fig.1 Comparison of the structural details of the channel-anchor composite strong floor and the conventional strong floor（Unit：mm）

1.2 槽孔组合反力台座性能参数

槽道部分主要由槽口型钢-2和竖向型钢-3将拉力向混凝土传递，一般采用连续梁受力模型进行计算；对于混凝土部分，定义沿槽道方向为纵向，水平垂直方向为横向，纵向视为深梁，横向则视为单向厚板计算其配筋（表1）。

表1 槽孔组合台座力学模型Table 1 The mechanical model of the channel-anchor composite strong floor

在综合分析传统槽道和锚孔性能参数的基础上，本文考虑三种不同性能目标的台座进行参数化设计，典型台座的性能参数指标参见表2。

表2 槽孔组合台座性能参数指标Table 2 Technical parameters of the channel-anchor composite strong floor

2 槽孔组合反力台座计算分析

2.1 计算模型与分析

以表2中A型槽孔组合反力台座为例，槽道的允许变形量为1/2000，各组成部分的计算分析方法如下。

2.1.1 型钢部分

槽道部分的受力由槽口的钢结构将锚固力传递给混凝土部分。槽口型钢-2按简支梁和连续梁计算分析其在最不利荷载下的受力和变形［5］。实际结构中，型钢的跨数较多，简化起见，连续梁模型跨数取为4跨，根据A型台座竖向型钢布置，取单跨为500 mm。6种最不利工况如图2所示。

图2 钢结构荷载分布计算模型Fig.2 Calculation models of the steel structure under different loading cases

在各工况下，A型台座型钢内力计算值见表3。

对各种最不利荷载分布下的强度和刚度进行计算，以型钢槽道的变形及竖向槽钢变形为主要控制条件，允许变形量为1/2 000，该设计满足变形要求。

2.1.2 混凝土部分

对槽式台座混凝土结构进行分析，沿槽道纵向、横向各取4 000 mm为典型板块，其中横向简化为单向厚板［图3（a）］，纵向简化为梁端铰接的深梁进行受力分析［6］［图3（b）］。在槽道中施加500 kN/m的典型荷载，计算得到混凝土部分的内力及配筋（表5）。

表5 混凝土槽道内力及配筋表Table 5 Internal force and reinforcement of the concrete channel

图3 混凝土结构部分计算模型（单位：mm）Fig.3 Calculation models of the concrete structure（Unit：mm）

2.1.3 深槽孔部分

传统锚孔各向承载力均衡，承载力较高，但仍存在施工定位容错小、日常维护要求高等缺点。深槽孔的受力是由锚杆底面对槽孔边缘产生的冲切作用，冲切面验算按45°和冲切到槽道底部两种方式（图4）。两种不同冲切方式下槽孔承载力计算结构如表6所示。

图4 槽孔计算模型（单位：mm）Fig.4 Calculation model of the concrete anchor hole（Unit：mm）

表6 单槽孔承载力Table 6 Maximum strength capacity of single concrete anchor hole

计算结果表明，通过采用深槽孔的模式代替原有的锚孔，满足了承载力的要求［7］，同时降低了施工难度且便利操作与运维。

2.2 有限元分析

槽孔反力台座针对传统槽式反力台座的钢结构布置难点进行了改进，为了保证其能够满足台座性能的要求，基于图3建立型钢结构部分和混凝土组合ABAQUS有限元模型（图5）。整体采用C3D8R单元。网格全部按六面体划分，控制单元最大尺寸为100 mm，混凝土部分共划分23 302个实体单元，钢结构部分共划分19 692个实体单元。

图5 槽孔组合反力台座有限元模型Fig.5 Finite element model of the channel-anchor composite strong floor

采用集中荷载加载计算：计算反力跨度4 000 mm，单个锚杆最大拉力为2×250 kN，同理，将台座沿槽道方向两端采用铰约束。

钢结构部分应力分析表明，槽钢最大Mises应力约为88.9 MPa［图6（a）］。根据竖向变形云图［图6（b）］，可以发现在锚杆作用处，竖向槽钢最大变形为0.07 mm，远小于表4中允许变形值0.50 mm，槽道型钢跨中最大变形0.20 mm，小于表4中允许变形值0.25 mm，满足强度和刚度要求。

表4 不同工况下型钢变形量Table 4 Deformation of the steel structure under different loading cases

图6 槽孔组合台座有限元计算结果Fig.6 Stress and vertical deformation nephogram of the steel structure

3 槽孔组合台座设计方法

3.1 槽孔组合台座设计流程

对于槽孔组合台座，通过对力学模型的明确分析，设计过程更加精细化、准确化，通过有限元分析辅助解决钢结构部分的复杂变形及应力分析，确保设计结果的安全性，具体设计流程见图7。

图7 槽孔组合反力台座设计流程Fig.7 Design flowchart of the channel-anchor composite strong floor

3.2 成本与工期估算

以A型台座为例［图1（a）及表2］进行设计施工成本估算。槽孔组合台座经过调整改进型钢布置及深槽孔设置，节省了大量预埋件及安装费用，单方成本由4 067元/m2降至3 732元/m2，下降了8.4%。随着建造的预制化和智能化程度的提高［8］，槽孔组合台座通过模块化预制［9］，将钢筋笼制备、锚孔定位等前置于工厂预制，降低现场施工难度，提升安装精度，建造工期可缩短16.7%（图8），并便利台座操作与运维。

图8 槽孔组合反力台座施工横道图Fig.8 Construction schedule bar chart of the channelanchor composite strong floor

4 结 论

本文提出一种新型的槽孔组合反力台座，可较好地改善传统槽式台座及槽锚组合台座的力学性能、施工工艺和运维模式，获得了以下主要结论：

（1）明确台座性能参数，建立简化力学模型和有限元模型进行力学分析；

（2）沿槽道设置深槽孔进行受力组合，提升了槽孔组合台座的承载能力及使用功能；

（3）调整槽道的型钢与钢筋布置，可实现型钢与钢筋笼的模块化工厂制备，提升施工精度、效率并降低现场施工难度；

（4）提出了槽孔组合反力台座的设计方法，验证了该新型反力台座的可行性。