铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究.pdf

第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究盛兴旺1，孙青山1，郑纬奇1,2，刘思聪1(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙 410075)摘要：标准混凝土箱梁在我国铁路建设中得到了广泛应用。铁路应用某新型标准混凝土箱梁，采用单排大吨位的预应力锚固形式，共计在梁端设置了17个预应力锚固区。相较于武广客专等应用的双排预应力钢束标准混凝土箱梁，其腹板预应力锚固区的局部应力分布及精细化力学行为值得进一步研究。通过建立新型标准混凝土箱梁空间有限元模型，考虑材料的非线性行为，对箱梁端部预应力锚固区的局部应力场及裂缝开展高精度计算分析。研究结果表明：预应力钢束张拉过程中锚固区混凝土最大主压应力位于N6(腹板最上部预应力钢束)的喇叭口边缘，为33.45 MPa；最大主压应力小于其抗压极限强度值，集中在喇叭口的环向范围内，整体呈现区域小、收敛快的分布形式；标准混凝土箱梁的主拉应力值随预应力钢束张拉不断增大，其中N3(腹板最下部预应力钢束)区域的主拉应力变化最为显著，张拉完成后，锚固区混凝土最大主拉应力达到了混凝土抗拉极限强度，主要分布于锚垫板四周，最大裂缝出现在N6锚垫板上边缘的两角处，裂缝宽度为0.088 mm。混凝土封锚可有效降低预应力锚固区的开裂风险，但在实际服役环境中仍应对此区域进行重点关注。关键词：新型标准混凝土箱梁；预应力锚固区；非线性分析；局部应力场；裂缝分布中图分类号：U24 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）07-2572-10Refinement research on mechanical behaviors of prestressed anchorage area of new-type standard concrete box girderSHENG Xingwang1,SUN Qingshan1,ZHENG Weiqi1,2,LIU Sicong1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center for High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China)Abstract:Concrete standard box girder had been widely used in China railway construction.A new-type standard box girder with the prestressed anchorage form of single row and large tonnage was used in Railway.A total of 17 prestressed anchorage zones were set at the beam end of the new-type standard concrete box girder.Compared with the double-row prestressed tendon design scheme of the railway standard box girder in Wuhan-Guangzhou Railway,the local stress distributions and fine mechanical behaviors in the prestressed anchoring area deserved to be studied furtherly.By establishing the spatial finite element model of the new-type standard concrete box girder 收稿日期：2022-07-07基金项目：国家自然科学基金资助项目(52078488)；湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ40628)；湖南省教育厅科学研究项目(21A0010)通信作者：郑纬奇(1991)，男，山东淄博人，讲师，博士，从事大跨度桥梁结构行为相关研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221355第 7 期盛兴旺，等：铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究of Railway,and considering the nonlinear behaviors of the materials,high-precision calculation and analysis of the local stress field and cracks in the prestressed anchorage area were carried out.The results are drawn.The maximum concrete principal compressive stress in the anchoring area is located at the edge of the bell mouth of N6(the uppermost prestressed steel bundle of the web)during the tensioning process of the prestressed steel bundle,which is 33.45 MPa.The maximum principal compressive stress is less than its ultimate compressive strength.The value is concentrated in the annular range of the bell mouth,and the overall distribution is small in area and fast in convergence.With the increase of the principal tensile stress value of the standard concrete box girder tensioned by prestressed steel bundles,the principal tensile stress around N3(prestressed steel bundles at the bottom of the web)near the box chamber has the most significant change,the maximum principal tensile stress of the concrete in the anchoring area reaches the ultimate tensile strength value of the concrete,mainly distributed around the anchor plate,the largest crack appears at the two corners of the edge of the N6 anchor plate,and the crack width is 0.088 mm.Concrete anchor sealing can effectively reduce the cracking risk of the prestressed anchorage zone,but the performances of the prestressed anchorage area in the new-type standard concrete box girder should still be focused on in the actual complex service environment.Key words:new-type standard concrete box girder;prestressed anchorage zone;nonlinear analysis;local stress field;fracture distribution 某铁路穿越高原山地复杂环境区，桥梁结构服役环境恶劣，保障结构长期服役性能至关重要。标准预应力混凝土箱梁在铁路中应用广泛，其中，某新型标准预应力混凝土箱梁在腹板位置布置单排大吨位预应力钢束，相较于目前常用的腹板布置双排预应力钢束的混凝土标准梁，箱梁端部处于局部受力状态，预应力锚固区的局部应力状态更为复杂。为保障铁路标准预应力混凝土箱梁结构的长期服役性能和使用寿命，有必要对其预应力锚固区的局部应力水平和潜在裂缝分布特征开展深入研究。目前，混凝土结构局部应力分析及开裂研究已经取得较多成果。姜军等1研究了锚固区局部应力的传递规律，讨论了锚固区裂缝产生的原因。任娟娟等2建立了纵、横向预应力作用下的轨道板锚穴部位损伤分布模型，分析了轨道板在预应力施加过程中锚穴部位裂纹损伤的分布状况。贺志启等3构建了锚固区力流传递的拉压杆模型,利用拉压杆模型的静力平衡条件,得到了锚前劈裂力和锚后斜向牵拉力的解析计算公式,并与有限元结果对比验证其计算精度。乔倩妃等4研究了预应力锚固区的局部应力，分析了钢筋弯折角度和锚固块顺桥向长度对锚固区应力的影响，得到了对同类工程有参考价值的结论。冯峥等56通过大吨位张拉试验及非线性有限元模型对UHPC箱梁锚固区进行了受力分析,揭示了齿块应力分布规律与受力特性。朱经纬等7针对混凝土索塔锚固区承载力准确计算及预应力设计难题,提出拓扑优化拉压杆模型,并对优化后的模型进行应力验算。周建民等8通过32个试件的预应力锚固区传力性能试验和有限元分析,对锚固区应力状态、裂缝形态、开裂荷载、破坏荷载以及相关的影响因素等进行了研究。MAO等910研究了后张法预应力混凝土箱梁顶底板锚固区的混凝土受力特性及开裂原因，针对其局部锚固问题下的复杂应力分布，进行了模型试验并给出了一些避免锚固区混凝土继续开裂的建议。VAN等11对预应力混凝土梁末端区域进行优化，使用Abaqus软件开发了三维非线性有限元模型，将数值结果与实验数据进行比较，验证了有限元模型的准确性，并将该模型用于无端块梁的设计。STEENSELS等1213引入预应力钢绞线滑移与径向应变的新关系，将小尺度模型的黏结-滑移关系应用于预应力混凝土梁的实体模型中，得到锚固区的应力分布。预应力锚固区作为混凝土箱梁结构的关键构造，需要在设计和施工中重点关注。目前对于铁路新型标准混凝土箱梁单排大吨位预应力锚固区的局部应力研究较少，相关技2573铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月术经验仍十分匮乏。由此，通过建立铁路某新型标准混凝土箱梁节段精细化有限元模型，考虑材料非线性特征，对箱梁端部预应力锚固区的局部应力场以及裂缝分布开展研究，揭示新型标准混凝土箱梁预应力锚固区处的局部应力水平与裂缝分布规律，为新型标准预应力混凝土箱梁在铁路中的推广应用提供理论支撑和技术支持。1 工程背景混凝土标准混凝土箱梁结构在我国铁路建设中应用广泛，某铁路建设中计划采用某新型预应力混凝土标准箱梁结构。该新型标准箱梁为跨径32 m的双线预应力混凝土简支箱梁，设计梁高为2.615 m，桥面宽度为 11.50 m，腹板斜度为 15，顺桥向支点间距为 31.6 m；跨中顶板设计厚度为0.265 m，底板设计厚度为0.27 m，腹板设计厚度为0.36 m；主梁截面由跨中向梁端逐渐增厚，顶板设计厚度最大值为0.565 m，底板设计厚度最大值为0.65 m，腹板设计厚度最大值为0.85 m。横断面如图1和图2所示。该新型标准箱梁的预应力锚固区如图3所示。结构对称，图3(a)仅出示一半。其中，两侧腹板各设锚固区4个，底板设锚固区9个，共计17个锚固区。预应力钢束标准抗拉强度为1 860 MPa。各预应力钢束张拉参数见表1。2 新型标准混凝土箱梁精细化有限元模型2.1精细化有限元模型采用Midas FEA建立新型标准预应力混凝土箱梁空间有限元模型，混凝土等级为C50，采用三维实体单元模拟，边界条件依据设计图纸在支座中心线下方建立支座钢板，并使其余梁体共节点耦合，再对支座钢板底的中心节点设置相应约束，以消除应力集中的影响。有限元模型如图4所示。单位：mm图1标准混凝土箱梁跨中截面图Fig.1Mid-span section view of Railway new-type standard box girder单位：mm图2标准箱梁梁端截面图Fig.2Sectional view of the end of Railway new-type standard box girder2574第 7 期盛兴旺，等：铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究为了验证实体单元模型的正确性，同步建立全桥梁单元模型，成桥状态单项荷载作用下的2个计算模型的支座反力对比结果如表2所示。由表2可知，在自重、二期恒载与静活载作用下，2 个模型支座反力的相对误差均在 5%以内，验证了实体单元模型的正确性。在全桥有限元模型的基础上，对预应力锚固区进行精细化有限元模拟，预应力锚固断面附近3倍梁高范围内主梁节段采用四面体实体单元模拟，其余梁段采用空间梁单元模拟。预应力锚固区采用封锚槽口+喇叭口+孔锚板+锚垫板的形式，预应力锚固区细部模拟及箱梁节段模型如图 5 和图 6所示。通过箱梁截面质心节点建立主从约束形成截面刚域，采用梁单元连接精细化节段模型截面质心节点，形成“虚拟梁”，另一端延伸至标准混凝土箱梁跨中位置，并设置固定约束，如图7所示。混凝土箱梁、孔锚板、锚垫板及支座钢板均采用0.05 m单元尺寸划分，模型中混凝土的弹性模量和泊松比分别采用34.5 GPa和0.3，钢材的弹性模量和泊松比分别采用206 GPa和0.2。引入材料非线性，以研究预应力钢束张拉过程中锚固区的损伤行为，混凝土受压本构关系采用规范(GB 500102010)14中混凝土的受压本构关系函数，受拉本构关系采用常量函数，抗拉极限强度fct根据规范(TB 100922017)15取3.1 MPa；非线性分析中普通钢筋的本构关系选用简化后的两阶段模型；锚下混凝土的螺旋筋本构模型采用范梅赛斯模型。单位：mm(a)正视图；(b)侧视图图3锚固区结构图Fig.3Anchorage zone structure diagram表1预应力钢束张拉参数Table 1Tension parameter table of prestressed tendons钢束编号N4N6N3N2cN1aN2b规格18-15.218-15.212-15.211-15.2位置腹板腹板底板底板锚外张拉力/kN3 616.043 580.922 387.282 188.34图4全桥实体单元模型Fig.4Full bridge solid element model表2支座反力对比Table 2Comparison of bearing reactionkN荷载自重二期恒载静活载梁单元模型支座反力/kN6 443.223 422.796 783.60精细化有限元模型支座反力/kN6 441.603 420.436 454.68误差/%0.030.074.852575铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月2.2预应力钢束张拉根据实际施工过程中预应力钢束的张拉顺序，将N1a至N6等9组钢束逐步施加张拉荷载。锚外张拉力数值按表1选取，以面荷载的形式均布施加于孔锚板表面的所有单元面上。采取逐步施加锚外张拉力的方式模拟张拉过程，考虑结构自重和锚外张拉力联合作用，分析预应力锚固区的局部应力场，研究预应力锚固区的应力与裂缝分布规律。预应力钢束的张拉顺序见表3。3 预应力锚固区非线性行为分析3.1预应力锚固区局部应力场基于精细化非线性仿真计算分析，得到张拉预应力钢束后箱梁锚固区的局部应力场云图，图810分别为张拉预应力钢束N2b，N1a和N4后箱梁预应力锚固区的主拉应力云图。对比图810可得：1)在张拉预应力钢束过程中，标准混凝土箱梁的主拉应力值不断增大，其中N3周围靠近箱室图5预应力锚固区细部模拟图Fig.5Detailed simulation diagram of prestressed anchorage zone图6箱梁节段模型图Fig.6Box girder segment model diagram图7主从约束刚域Fig.7Rigid domain with master-slave constraints表3预应力钢束张拉顺序Table 3Prestressed steel strand tension sequence table张拉顺序12345钢束编号2N2b2N1b2N2c2N5N1a张拉顺序6789钢束编号2N32N2a2N62N42576第 7 期盛兴旺，等：铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究区域的主拉应力变化最为显著，张拉预应力钢束N2b后，此处混凝土主拉应力值为 0.60.9 MPa，张拉预应力钢束N1a后，N3周围混凝土主拉应力值为 1.51.8 MPa，张拉完成后，N3周围混凝土最大主拉应力值达到C50混凝土的抗拉极限强度值3.1 MPa15，此处存在开裂的可能。除此之外，在张拉过程中，大部分区域混凝土的主拉应力均小于3.1 MPa，满足规范要求。2)预应力钢束在张拉过程中锚固区混凝土最大主拉应力达到C50混凝土的抗拉极限强度值fct=3.1 MPa15，出现在锚垫板四周，这会导致其出现区域的混凝土开裂。由于锚固区的“凹槽”形式，图8预应力钢束N2b张拉后的主拉应力云图(MPa)Fig.8Main tensile stress cloud diagram of the prestressed steel strand N2b after tensioning(MPa)图9预应力钢束N1a张拉后的主拉应力云图(MPa)Fig.9Main tensile stress cloud diagram of the prestressed steel strand N1a after tensioning(MPa)图10预应力钢束张拉完成后的主拉应力云图(MPa)Fig.10Main tensile stress cloud diagram after the prestressed steel strands are stretched(MPa)2577铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月使得锚垫板边缘的混凝土与凹槽表面的混凝土形成共同体受力，锚垫板受到巨大的张拉力，导致“凹槽”表面混凝土随锚垫板边缘混凝土的纵向变形较大，进而引起“凹槽”表面混凝土出现较大的主拉应力，并致使混凝土表面局部存在出现裂缝的风险。图1113分别为张拉预应力钢束N2b，N1a和N4后锚固区的主压应力云图。表3为张拉不同阶段预应力钢束后锚固区最大主压应力及其分布位置。图11预应力钢束N2b张拉后的主压应力云图(MPa)Fig.11Principal compressive stress cloud diagram of prestressed steel strand N2b after tension(MPa)图12预应力钢束N1a 张拉后的主压应力云图(MPa)Fig.12Principal compressive stress cloud diagram of prestressed steel strand N1a after tensioning(MPa)图13所有预应力钢束张拉完成后的主压应力云图(MPa)Fig.13Principal compressive stress cloud diagram after all prestressed steel strands are stretched(MPa)2578第 7 期盛兴旺，等：铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究由图1113和表4可得：1)预应力锚固区主压应力主要与锚外张拉力有关，随着预应力钢束依次张拉，锚外张拉力的增大，锚固区主压应力值逐渐增大，主压应力值均小于33.5 MPa15，满足相应规范要求。2)钢束张拉过程中锚固区混凝土最大主压应力出现在钢束N6的喇叭口边缘混凝土，为33.45 MPa15，最大主压应力沿喇叭口环向局部范围分布，分布区域较小，考虑到锚下钢筋网片及构造钢筋的加强作用，上述主压应力计算结果较为保守。3.2裂缝分布与影响根据非线性分析得出张拉预应力钢束后锚固区的裂缝分布，图1417分别为张拉预应力钢束N2b，N1a和 N4后的裂缝分布图以及最大裂缝示意图。由图1417可得：1)在预应力钢束张拉过程中，裂缝基本分布在封锚槽口的四周(即图中蓝色圆片)，大部分裂缝宽度在103 107 mm范围内，扩散深度在100 mm以内，裂缝分布区域与主拉应力达到混凝土抗拉极限强度区域基本一致。2)张拉预应力钢束 N1a后，锚固区喇叭口周围开始出现深度大致为50 mm，宽度为107 mm的微裂缝，考虑到在实际结构中此处会分布较密的钢筋网片，仿真计算模型与实际结构存在一定差图14预应力钢束N2b张拉后的裂缝分布图(mm)Fig.14Crack distribution diagram of prestressed steel strand N2b after tension(mm)图15预应力钢束N1a张拉后的裂缝分布图(mm)Fig.15Crack distribution diagram of prestressed steel strand N1a after tension(mm)表4最大主压应力值及其位置Table 4Maximum principal compressive stress value and its location钢束张拉阶段钢束N2b张拉后钢束N1a张拉后钢束张拉完成后最大主压应力值/MPa28.933.333.45最大主压应力出现位置N2喇叭口边缘N5喇叭口边缘N6喇叭口边缘2579铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月异，实际结构中喇叭口的下口部位会与波纹管连接，在张拉预应力钢束的过程中管内并不存在混凝土，因此可认为锚固区喇叭口下口处出现的裂缝忽略不计。3)预应力钢束张拉完成后，在多数锚垫板四角以及N6锚垫板上边缘、N3锚垫板靠近箱室边缘的混凝土表面出现宽度大致在3102 6102 mm的裂缝(即图中绿色圆片)；其中N6锚垫板上边缘两角处的裂缝最大，裂缝宽度为0.088 mm，N3锚垫板靠近箱室边缘两角处的裂缝较大，裂缝宽度为0.077 mm。这些区域的混凝土最先剥落并与锚垫板分离，但其数值均小于规范中对于冻融环境、磨蚀环境的裂缝宽度最小容许值f=0.15 mm。4)在实际施工中，预应力钢束张拉完成后，预应力锚固区将会采取封锚的措施。封锚后外界对预应力锚固区微裂缝的影响几乎均被隔绝，因此可认为张拉致锚固区裂缝对箱梁结构耐久性及服役性能并无太大影响。4 结论1)新型标准混凝土箱梁单排大吨位预应力张拉后，箱梁预应力锚固区混凝土应力水平整体不高，局部位置最大主拉应力达到抗拉极限强度值，存在开裂的可能；最大主压应力小于其抗压极限强度值，且集中在喇叭口的环向范围内，整体呈现区域小、收敛快的分布形式。2)单排大吨位预应力张拉后，多数钢束锚垫板周边混凝土表面裂缝宽度为31026102 mm，最 大 裂 缝 位 于 N6 锚 垫 板 上 角 边 缘，宽 度 为0.088 mm，满足相关规范要求。图16预应力钢束张拉完成后的裂缝分布图(mm)Fig.16Distribution of cracks after the prestressed steel strands are stretched(mm)(a)N6位置；(b)N3位置图17锚固区混凝土最大裂缝分布图(mm)Fig.17Schematic diagram of the largest crack(mm)2580第 7 期盛兴旺，等：铁路新型标准混凝土箱梁预应力锚固区力学行为精细化研究3)预应力锚固区的最不利受力位置集中在锚垫板四周，钢束张拉后梁端及时封锚可消除其对箱梁结构服役性能的影响，该类新型标准预应力混凝土箱梁结构可在铁路中推广应用，但复杂服役环境下仍需加强巡检。参考文献：1姜军,蒲黔辉,勾红叶.连续刚构拱组合桥锚固区局部应力模型试验J.西南交通大学学报,2011,46(5):726731.JIANG Jun,PU 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design of concrete structures:GB 500102010S.Beijing:China Architecture&Building Press,2011.15 国家铁路局.铁路桥涵混凝土结构设计规范:TB 100922017S.北京:中国铁道出版社,2017.National Railway Administration of the Peoples Republic of China.Design code for concrete structures of railway bridges and culverts:TB 100922017S.Beijing:China Railway Press,2017.(编辑 蒋学东)2581