新型高性能混凝土复合锚垫板的性能研究.pdf

2 0 1 1年第 8期 8月 昆 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 011 N0 8 Au g u s t 新型高性能混凝土复合锚垫板的性能研究 朱 星 ， 朱 万旭 ， 周红梅 ( 1 广 西工 学 院土 木建 筑工 程 系 ， 柳 州 5 4 5 0 0 6 ； 2 柳 州 欧维姆 机 械股 份有 限公 司 ， 5 4 5 0 0 5 ) 摘 要 ： 针 对锚 固体 系的结构安 全性 ， 利 用三 维有限元 法建立模 型 ， 通过对 M1 5 Z H一 9 D 型号 高性能混凝 土复 合锚 垫板与 M1 5 E - 9 DT型号传 统铸铁锚垫板 的受力分析 比较 ， 结果表 明 ， 高性 能混凝土复合锚 垫板强度不低 于传 统铸铁锚 垫板。结合 工程 实际 ， 并根据 M1 5 Z H一 9 D 型锚垫板荷载传递试验 结论和锚 固 区混凝土局部受压应力分布 规 律 ， 为 锚 垫 板 结 构 优 化 和 成 本 降低 提 供 了理 论 基 础 。 关键词 ： 新型； 高性能混凝 土； 锚垫板 ； 有限元分析 Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e s a f e t y o f t h e a n c h o r a g e s y s t e m，u t i l i z i n g t h e 3 D fi n i t e e l e me n t me t h o d t o e s t a b l i s h t h e mo d e l ， t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n a n a l y s i s o n t h e s t r e s s b e t w e e n t h e h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e( H P C ) c o m p o s i t e a n c h o r p l a t e( M1 5 Z H - 9 D ) a n d t h e t r a d i t i o n a l c a s t i r o n a n c h o r p l a t e ( M I 5 E - 9 D T ) ， i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e s t r e n g t h o f t h e HP C c o mp o s i t e a n c h o r p l a t e i s n o t l e s s t h a n t h a t o f t r a d i t i o n a l c a s t i r o n a n c h o r p l a t e C o mb i n e d wi t h t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，a c c o r d i n g t o the l o a d t r a n s f e r t e s t c o n c l u s i o n o f t h e M 1 5 Z H - 9 D a n c h o r p l a t e a n d t h e d i s t r i b u t i o n rul e o f t h e c o n c r e t e l o c a l s t r e s s i n a n c h o r a g e z o n e ，t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f t h e a n c h o r p l a t e a n d c o s t r ed u c t i o n i s pr o v i de d Ke y wo r ds ：Ne w t y pe ；Hi g h pe rfo rm a n c e c o n c r e t e ；Anc ho r p l a t e； Ana l ys i s o n fin i t e e l e me n t 中图分类号 ： T U 5 0 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 1 ) 0 8 3 5 一 O 3 0前 言 在预应力技术中，后张法因其不需 固定的台座 设 备 ， 不 受 地 点 限制 ， 便 于 现 场 施 工 等优 点 在 工 程 界得到广泛 的应用。锚固张拉体系和锚具是后张法 预应力技术 的关键 1 】 。目前广泛使用的群锚体系中， 钢绞线群体 的预应力通过锚垫板传递 ， 故锚垫板的 结构安全可靠性特别重要。高性能混凝土复合锚垫 板是 由铸铁锚芯和高性 能混凝土组成 ， 用高性能混 凝土部分取代整体浇筑 ， 既能节约钢材又能减轻锚 垫板重量 ，且复合锚垫板安全性 不低于传统锚 垫 板 。 1 工程概 况 目前 正 在 兴 建 的 白沙 头 港 大 桥 位 于 广 西 壮 族 自治 区东南部 ， 北起玉林市北流市西琅 白坟垌的南 面 ， 与岑溪至兴业高速公路相接 ， 终点位 于北海 市 铁 山 港 区 ， 与北 海 至铁 山港 一 级公 路 相 接 。 白沙 港 大桥部分采用电绝缘锚 固体 系 ， 选用 了某公司生 产 的 M1 5 Z H一 9 D孔 锚具 和 专用 夹 片 。 工 程 施工 情况 如 图 1和 图 2所示 。受 施 工单 位 委 托 ，对 M1 5 Z H一 9 D高性能混凝土复合锚垫板进行三维应力分析 ， 并 与 同规 格 M1 5 E 一 9 D T铸 铁 锚 垫 板 进 行 应 力 分 析 对 比。通 过 三 维模 拟应 力 分 析 ， 为 施 工 单 位 正确 选 择 锚垫板方案提供依据 。 图 1 M1 5 Z H 9 D锚 垫 板 装 配 图 图 2 M1 5 Z H一 9 D 锚 垫 板 张 拉 完 成 图 2 锚 垫板 混凝 土 柱模 型应 力分 析 与 比较 2 1 有 限元 模 型控 制参 数 整体铸造锚垫板全部 由铸铁现浇而成 ， 钢材使 用多 ， 重量大 ， 其构造 图如图 3所示 ； 高性 能混凝土 复合锚垫板 由铸铁锚芯和高性能混凝土浇筑而成 ， 节 约 钢 材 ， 比 同 规格 整 体 铸 造 锚 垫 板 轻 ， 其 构 造 如 图 4所示 。 一 3 5 2 0 1 1 年第 8 期 混 凝土 与水泥 制 品 总第 1 8 4期 ：3 0 Q l 一 r 7 7 唧厂 z z 7 i 一 薷 茯 图 3 整 体 铸 造 锚 垫 板 构 造 图 图 4高性能混凝 土复合锚垫板构造图 为使 A N S YS模拟分析结果具有可对 比性 ， 设 置受压混凝 土柱规格和设计荷载等参数为控制参 数。建立锚垫板 的混凝土受压柱模 型， 对 比相同设 计荷 载 、 相 同建模思路下 ， 同规格锚垫板 的荷 载传 递情况。 A N S Y S有限元分析中材料属性参数取值如 表 1所示 。表 2为建模 主要 控制 参数表 。 M1 5 E 一 9 D T与 M1 5 Z H一 9 D锚 垫板 有 限 元 模 型 对 比图见 图 5和图 6 。 锚垫板模型选取 S o l i d 1 8 5实体单元划 分六面 体 网格 ，混 凝 土柱 与 高性 能混凝 土 选 取 S o l i d 6 5实 体 单 元划 分 六 面体 网格 ， 螺 旋筋 和 方格 网式 间接 钢 筋选取 P i p e l 6杆单 元划分 网格 。 2 2 有 限元分 析结 果 2 2 1 锚垫 板 M1 5 E 一 9 D T型 号锚 垫板 材料 为 H T 2 0 0 ，其 抗 压 强度 是 抗 拉 强 度 的 2倍 ， 因此 ， 用最 大拉 应 力 判 断 其 安 全性 。M1 5 E 一 9 D T型 号 锚 垫 板 最 大 拉 应 力 为 5 7 MP a ， 远小 于其 材 料 的抗 拉 强 度 2 0 0 M P a ， 所 以锚 一 3 6 一 表 1 材料属性参数表 表 2 建 模 主要 控 制 参 数 表 注：由于我国现行规范未对高性能混凝土等级做出 规定 ， 故此处按试验经验值确定弹性 模量和泊松 比。 注 ：根据混凝上结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 第 9 6 9条规定 ， 体积 配筋率不应小于 0 5 。 图 5 M1 5 E一 9 D T有 限 元 模 型 图 图 6 M1 5 Z H一 9 D有 限 元 模 型 图 垫 板结构 是 安全可 靠 的。 M1 5 Z H- 9 D锚芯材料为 HT 2 0 0 ， 其最大拉应力 朱星 ， 朱万旭 ， 周红梅 新型高性能混凝土复合锚垫板的性能研究 为 1 0 9 MP a ， 远 小 于其 材 料 的抗 拉 强度 2 0 0 MP a 。高 性能混凝土最大拉应力为 1 7 MP a 。因高性能混凝土 的模拟分析未考虑其 内部钢纤维 的抗拉能力 ， 故高 性 能 混凝 土 的实 际抗拉 性 能要 优 于模拟 分 析 。 2 2 2 螺 旋筋 计 算 结 果 中 ， M1 5 E 一 9 D T螺 旋 筋 Mi s e s 等 效 应 力 为 4 3 MP a ， M1 5 Z H 一 9 D螺 旋 筋 Mi s e s 等 效应 力 为 4 4 MP a ， 远小于其材料 Q 2 3 5的屈服强度 2 3 5 MP a ， 故 螺旋 筋是 安全 的。 注 ： 根据第四强度理论 ( 形状改变比能理论 ) ， Mi s e s 等 效应 力是正应力和剪切应力 的组合 ， 通 常用来 描绘联合作 用 的 复 杂应 力 状 态 。 2 2 _ 3 锚 下混 凝土 混凝土拉应力较高 的区域分布在锚 垫板下部 区域和混凝土柱侧面距端面 1 2试块宽度处 ，产生 破坏形式以侧表面拉应力过大开裂为主圈 。因此 ， 主 要根据计算 出来 的侧表面 的拉应力极值来 判断混 凝土试 件 的安 全性 。 M1 5 E 一 9 D T的混凝土侧表面拉应力较小 ，最大 处为 4 9 MP a ， 小于其抗拉强度极 限 ， 对 比荷载传递 试验 经验 ， 结 构应 该 是安 全 的 。 M1 5 Z H一 9 D的混凝土侧表面拉应力较小 ， 最大 处 为 4 8 MP a ， 小 于其 抗 拉 强 度 极 限 ， 对 比荷 载 传 递 试验 经验 ， 结 构是 安全 的。 比较 两 锚 垫板 侧 拉 应力 结 果 ， 高 性 能混 凝 土 复 合锚垫板的混凝土柱 比整体浇筑铸铁锚垫板 的混 凝 土 柱偏 于安 全 。 3荷载 传 递试 验 由对 Ml 5 Z H一 9 D 的混 凝 土 最 大 主 应 力 的 研 究 可知，混凝土侧表面 1 2试件宽度处横向拉应力较 大阁 ， 易造成锚垫板下沉 ， 使结构发生破坏 。为验证 真 实 荷 载 下 锚 下 混 凝 土 受 力 与 裂 缝 情 况 ， 对 M1 5 Z H 一 9 D的模型进行 了荷载传递试验 。混凝土裂 缝情 况 如 图 7所 示 ， 锚 垫板 下 部 混 凝 土破 坏 与 锚 垫 板受 力情 况 如 图 8所示 。 试 验模 型完 全按 模 拟计 算 的参 数 执 行 ， 设 计 荷 载为 1 8 7 4 k N， 加载结束后发现混凝土构件破坏时锚 垫板 下沉 量很 小 ， 且锚 垫板 完 好 ， 满 足安 全 要求 。 4结论 ( 1 ) M1 5 E 一 9 D T和 M1 5 Z H 一 9 D两 种 型号 的锚 垫 板及 锚下 结构 均满 足 安全要 求 。 ( 2 ) 由锚 垫 板最 大 拉应 力 比较 可得 ， M1 5 Z H 一 9 D 比 M1 5 E 一 9 D T更 充分 利 用材 料 的强度 。 ( 3 ) 传 统 整体 铸造 锚 垫板 因对 铸 铁 的依 赖 性 较 大而会提高预应力工程 的造价。而近年来 ， 国内外 图 7混凝土柱裂缝分布 图 图 8 锚 下 混 凝 土 与 锚 垫 板 加 载 后 情 况 图 对高性能混凝土的研究 已经趋于成熟 ， 将高性能混 凝 土应用于锚垫板 的铸造 中既有利于 降低铸铁 的 使用 ， 节约成本 ， 具有一定的工程实用性 。又因其较 高 的抗 压抗 拉 强 度 ， 从 而 完全 可 以取代 整 体 铸 造锚 垫 板 应用 于工 程 中 。 ( 4 ) 高性能混凝土复合锚垫板与传统整体浇注 铸铁锚 垫板相 比， 前 者强度不低于后者 ， 且前者经 济性 较好 。 参考文献 ： 1 】 房贞 政 预应 力结构 理论 与应用 M 北 京 ： 中国建筑 工业 出 版 社 ， 2 0 0 5 【 2 】M D e l l a V e d o v a C o r r o s i o n p r o t e c t i o n a n d mo n i t o ri n g o f e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d p o s t t e n s i o n i n g t e n d o n s D J S c h r i f t e n r e i h e d e r T e c h n i s c h e n U n i v e r s i t a t Wi n ， V o l u m e I I ， 2 0 0 4 ( 7 ) ： 1 2 一 l 5 3 B E l s e n e r M o n i t o ri n g o f e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d p o s t t e n s i o n i n g t e n d o n s D T a i l o r Ma d e C o n c r e t e S t r u c t u r e s 2 0 0 8 4 1 刘庆宽， 王新敏， 强 士中 南 京 长江二 桥南汉桥 索梁锚 固 足尺模 型试 验研究 J 土木工 程学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 2 ) ： 5 0 5 4 5 桂志光 ， 朱万旭 核 电安全壳锚 固区局部 应力研究f J ， 特种 结 构 ， 2 0 1 0( 8) ： 5 8 61 收 稿 日期 ： 2 01 1 0 6 2 7 作 者 简 介 ： 朱 星 ， 男 ， 硕 士 研 究 生 。 通讯地址 ： 广西柳州市广西工学 院土木建筑 系 联 系 电话 ： 1 3 6 2 7 8 2 1 1 7 0 E- ma i l ： z h u x in g s i r 1 6 3 c o m 一 3 7