预制T梁体外钢绞线加固锚固块局部应力验算分析

黄忠波 李庆伟

摘要：张拉体外钢绞线加固在连续箱梁或连续刚构桥型中应用较多，但在预应力混凝土T梁桥加固中应用较少，2020年云南省公路科学技术研究院对云南某二级公路预应力混凝土T梁桥在进行加固设计时，对病害T梁采用了张拉体外钢绞线的加固方法，体外钢绞线加固中至关重要的构件为锚固块，一旦锚固块失效，则整个加固系统将退出工作，所以锚固块的可靠性是该加固方法的关键所在，本项目锚固块为混凝土结构，本文通过采用Midas Fea进行实体结构建模分析，验证了本设计所采用的锚固块的可靠性，可对以后类似工程起到一定的借鉴作用。

关键词：锚固块；锚下劈裂力；局部应力验算

1.概述

2019年，云南某二级公路一座20mT 梁桥在定期检测中发现多片T梁在L/4~3L/4范围内，腹板两侧存在多条竖向裂缝，部分裂缝已贯通腹板及马蹄，延伸至梁底形成U形裂缝，如图1所示，经过计算分析，认为T梁开裂的原因为多种因素导致的T梁预压应力不足，T梁混凝土在通行荷载作用下产生消压作用，并产生一定的拉应力，拉应力超过混凝土的抗拉极限导致T梁产生多条结构性受力裂缝，为恢复T梁的预压应力，决定对T梁采用张拉体钢绞线进行加固，加固方法为每片T梁在梁底左、右侧各增设4根φ^S15.2的体外预应力钢绞线进行加固补强，该钢绞线抗拉标准强度为 1860MPa，张拉控制力为 625kN；体外束的锚固端设在混凝土锚固块端面，该锚固块为在T梁腹板上贯穿植筋，并浇筑C50自密实混凝土后形成，锚固块的具体尺寸如图2所示。

图1 T梁腹板竖向裂缝现场照片

图 2锚固块立面构造图（单位：cm）

为保证体外束张拉后，锚块不产生剪翘作用，本设计在锚块端面又设置4根横向预应力螺杆，每根横向预应力螺杆张拉力为50KN，如图3所示。

图3 锚固块端面横向预应力螺杆布置图

2.混凝土锚固块局部应力分析

2.1 计算参数

混凝土锚固块采用 MidasFea 软件进行局部应力分析，采用建模单元均为实体，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）^[1]进行校检，校验内容共涉及体外束锚下劈裂力、锚固块端部横向拉应力、锚固块纵桥向抗剪验算、体外束张拉后对主梁应力影响分析。

2.2 分析模型

依据圣维南原理，对锚固块建模共建立 528386 个单元，104108 个节点，实体模型如图 4 所示，其中绿色区域为T梁受锚固块的影响局域，黄色区域为锚固块，锚固块的侧面红色区域为横向预应力锚板。

图 4 分析模型

2.3 锚块施加荷载

该桥一束体外束由4根φ^S15.2 的钢绞线组成，体外束张拉力为625kN，锚固块端部张拉4 根 M16 的横向螺杆，每根张拉力为50KN，锚块端部共计施加横向总压力为200KN。

2.4 分析结果

2.4.1 体外束锚下劈裂力及锚固块端部横向拉力验算

因锚垫板对锚块端面的压力作用，预埋喇叭管四周混凝土存在较大的横向拉应力，通过Midas Fea建立实体单元进行分析得出计算结果如图5所示：

图 5 锚下劈裂应力验算结果

（最大拉应力 3.2MPa）

根据图5可知，锚块端面在体外束及横向螺杆张拉后，混凝土横向拉应力最大应力为 3.2MPa。

(1) 体外束锚下劈裂力验算

图 6 锚下配筋示意图

由上可知，锚下劈裂最大应力为 3.2MPa，而锚头喇叭管内配有HPB300 规格（直径 10mm，间距5cm）的螺旋筋，经过计算，螺旋筋的钢筋拉应力为 80.1MPa，远小于HPB300 钢筋设计强度 250MPa，因此，锚固块锚下劈裂验算满足要求。

(2) 锚固块端部横向拉应力验算

锚固块在体外预应力张拉后，锚块与T梁交接面会产生一定的拉应力，若拉应力过大则会造成混凝土开裂，为避免锚块端部与T梁交接面混凝土因体外束张拉后开裂，本设计在锚块端部设计了4根横向预应力螺杆，在体外束及横向预应力螺杆张拉后，锚块与T梁交接面混凝土受力情况如图7所示。

图 7 锚固块与主梁界面应力验算结果

（最大压应力-0.5MPa）

由图7可知，在体外束及横向预应力螺杆张拉后，锚固块与主梁接触面混凝土产生0.5MPa压应力，未产生拉应力，锚固块端面横向拉力验算满足要求。

2.4.2锚固块纵桥向抗剪验算

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）^[1]相关要求进行抗剪截面及抗剪承载力验算。

(1) 抗剪截面验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）第 5.2.11 条要求：

表 1 锚固块抗剪截面验算表

参数	符号	单位	数值
重要性系数	γ0	/	1.1
剪力设计值(体外预应力单侧张拉力)	Vd	KN	625
C45混凝土立方体抗压强度标准值	fcu,k	MPa	45
锚块平均宽度	b	mm	520
截面有效长度	h0	mm	1600
		KN	2846.4

注：T梁混凝土强度为45MPa，锚固块混凝土强度为50MPa，f_cu,k计算取最不利值45MPa。

通过计算可知，锚固块抗剪截面剪力承载能力为 2846.4kN，远大于剪力设计值 =687.5kN，满足规范抗剪截面要求。

(2) 抗剪承载力验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）第 5.2.12 条要求：

表 2 锚固块抗剪承载力验算

参数	符号	单位	数值
重要性系数	γ0	/	1.1
剪力设计值(体外预应力单侧张拉力)	Vd	KN	625
预应力提高系数	α2	/	1.0
C45混凝土轴心抗拉强度设计值	ftd	MPa	1.74
锚块平均宽度	b	mm	520
截面有效长度	h0	mm	1600
		KN	723.8

注：T梁混凝土强度为45MPa，锚固块混凝土强度为50MPa，f_cu,k计算取最不利值45MPa。

通过计算可知， =723.8KN> =687.5kN，满足规范抗剪要求。

2.4.3 体外束张拉后对主梁应力影响

在体外束张拉后，T梁在锚固块附近混凝土局部主拉应力如图8所示：

图8 锚固块对主梁影响范围内最大主拉应力图（单位：MPa）

由图8可知，锚固块对T梁影响区混凝土最大主拉应力为 1.4MPa，而C45 混凝土容许抗拉强度为1.74MPa，因此，通过设置锚固块张拉体外预应力束的方案对主梁应力影响小于规范容许值，方案可行。

3.结语

通过MIDAS-FEA对本设计锚固块进行实体单元建模分析，锚固块的体外束锚下劈裂力验算、锚固块端部横向拉应力验算、锚固块纵桥向抗剪验算、体外束张拉后对主梁应力影响均满足规范要求，说明锚固块设计符合规范要求，该锚固块的构造尺寸可对以后同类型桥梁进行体外钢绞线加固提供一定的参考意义。

参考文献

[1] JTG3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 [S].

[2] JTG/T J22-2008 公路桥梁加固设计规范 [S].

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