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后张预应力混凝土空心板梁锚固区的抗裂设计

作者:双核期刊发表网; 更新时间:2018-04-18
摘 要:比较了我国各规范对于锚固区抗裂的构造要求,基于锚固区应力光弹图形,提出了相应的抗裂设计方法,并通过实例进行了演算,可为工程实际借鉴采用。

关键词:混凝土空心板;预应力;锚固去;抗裂


1 引 言

后张预应力混凝土空心板梁具有梁高较低,自重较轻,预制架设方便,受力性能好等优点,是目前高等级公路桥梁建设中广泛采用的结构形式之一。但后张预应力梁端部锚固区的受力非常复杂,因而其锚固区的抗裂问题更为突出。因此,对锚固区的抗裂设计必须经过严密的分析和计算进行确定,本文在对比我国各规范对锚固区抗裂构造要求的基础上,提出相应的锚固去抗裂设计方法,可供实际工程采用。

2 我国各规范对于锚固区抗裂的构造要求

我国的旧桥梁规范(JTJ023—85)(简称《旧桥规》)、现行桥梁规范(JTG D62-2003)(简称《现行桥规》)以及《混凝土结构设计规范(GB50010—2002)》(以下简称《结构规范》)对后张预应力梁端部锚固区张拉裂缝的控制都有构造要求,但其规定有许多地方并不明确,对设计实用性也不强,因此经常导致符合规范构造要求和正常施工的梁在张拉时仍然出现横向和纵向裂缝。

3.3.2.1《旧桥规》要求

《旧桥规》第6.2.4条规定[2]:当预应力钢筋集中布置在截面下部或上部和下部时,预应力所产生的横向力会使端部中性轴附近产生水平裂缝。因此,要求将部分预应力筋弯起,并尽可能沿端部截面高度均匀布置,或在构件端部沿梁高方向设置横向构造钢筋。根据国外试验资料,预加应力产生的横向拉力一般分布在梁端沿跨径方向3/4h(h为梁高)长度的区段内,所以横向构造钢筋也应布置在这个区段(不小于60cm内)。该条文规定了预应力筋偏心方向需设置横向构造钢筋及设置范围,但没有明确配筋量。

12.3.2.2《现行桥规》要求

我国《现行桥规》9.4.2规定[3]:在后张预应力混凝土构件截面腹板内应设置直径不小于10和12mm的箍筋,且应采用带肋钢筋,间距不应大于250mm;自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内,应采用闭合式箍筋,间距不应大于100mm。同《旧桥规》一样,该条文没有明确配筋量。

12.3.2.3《结构规范》要求

《结构规范》第9.6.10条规定[4]:当预应力钢筋集中布置在截面下部或上部和下部时,应在构件端部0.2h范围内设置附加竖向构造钢筋(焊接钢筋网、封闭式箍筋等),附加竖向构造钢筋宜采用带肋钢筋,其截面面积满足:

时,

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时,

时,可根据实际情况适当配置构造钢筋。

上式中:为单侧张拉力合力,应乘以分项系数1.2;为钢筋抗拉强度设计值,HRB335钢筋取300MPa;*为单侧张拉力合力点至截面近边缘的距离。

该条规定了预应力筋偏心方向需设置横向构造钢筋及设置范围,同时也明确了配筋量,但是配筋量表达式中没有涉及混凝土强度、截面尺寸(腹板或底板厚度),这与不开裂混凝土实际受力情况不符,不宜直接用于实际设计。

3 基于锚固区应力光弹图形的抗裂设计方法

3.1锚固区应力光弹图

假设板梁端部锚垫板下的预压力是均匀的,已有的光弹性试验结果表明(如图1所示):施加在板梁端部小范围的强大集中预压力使锚垫板以外的表层混凝土承受了一定的高值横向拉应力,容易引起端部张拉裂缝的产生;锚具截面尺寸对锚固区的应力分布影响极大,随着锚具尺寸的增大爆裂应力区逐渐为承压应力所取代而远离压力作用面,剥落应力所占区域也逐步缩小。

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图1 锚固区光弹图形   图2 空心板锚固端截面

图中拉应力存在于以下两个区域:

(1)爆裂区。作用在轴向力所在中心线的位置,作用方向垂直于中心线。其作用区域为距锚下一定距离处至锚固区高度的一倍距离处。其值的大小主要受锚具面积与锚固端面积比的影响,预应力筋的偏心距及预应力筋的弯起角度对爆裂应力的分布也有一定的影响。当锚固区荷载达到开裂荷载值时,该应力将产生沿预应力筋管道分布的纵向裂缝。

(2)碎落区。作用在距锚固区面或锚固端面紧邻的下部区域,作用方向平行于锚固端面。在锚固端面的横向拉应力值最大,在端面下方的构件内部应力值急剧减小。后张空心板梁端部表面的细微裂缝就发生在该区域。

碎落区的拉力定义为剥裂力,其产生的裂缝范围仅在板梁端部的表层;而爆裂区的拉力称为爆裂力,该力产生的裂缝却存在于空心板梁端部过渡段内的构件核心截面上。前者影响板梁的外观质量和耐久性,后者将影响空心板梁的受力变形性能 (由于板梁支座支承中心线均位于爆裂区内)。

以图2所示的空心板梁为例,腹板采用圆锚,底板采用扁锚,两侧腹板各布置1束预应力钢绞线,底板布置2束和1束预应力钢绞线。根据该空心板梁尺寸与预应力筋布置,可计算出图底板的锚下拉应力为:

由此,可依据应力光弹结果得到碎裂区混凝土的横向拉应力为

而爆裂区混凝土的横向拉应力为

对于腹板,则锚下拉应力为:

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碎裂区混凝土的横向拉应力为

爆裂区混凝土的横向拉应力为

3.2 按AASHTO规范进行配筋验算

    在底板与腹板的碎裂区与爆裂区混凝土横向拉应力计算出后,则可依据AASHTO规范进行配筋验算:

(1) 碎裂区抗裂钢筋

根据AASHTO规范要求:端部抗裂箍筋允许变形强度取;碎裂区的总剥裂力取,从安全出发可取大值。

对于底板

底板碎裂区所需抗裂箍筋面积为

这说明在空心板底板抗裂箍筋应配置,或等效面积的其它直径钢筋。

对于腹板

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腹板碎裂区所需抗裂箍筋面积为

这说明在空心板底板抗裂箍筋配置或等效面积的其它直径钢筋已足够。

(2) 爆裂区抗裂钢筋

    根据AASHTO规范要求:端部混凝土抗裂允许应力,由于,因此除了在锚具下的局部设置加强钢筋外,还应在其过渡段长度爆裂区内增设抗爆箍筋。爆裂力可取为:

式中:a为锚具下板梁端部“配置箍筋面”的横向高度(mm);h为锚具下板梁端部“配置箍筋面”的横向宽度(mm)。对于此处空心板梁底板:

故在爆裂区内与力筋轴线成正交的抗爆裂力的箍筋截面积可按:

,可取

对于腹板:

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,可取

即应在板梁端部底板和腹板锚具下的过渡段即爆裂区内分别配置或等效面积的其它直径抗爆箍筋。

5 结 语

锚固区的抗裂设计对于后张预应力混凝土空心板梁的受力性能具有重要影响,必须同时考虑锚下和锚下以外范围两个方面的抗裂问题。对于锚下抗裂的配筋验算,由于我国规范未给出明确规定,可根据锚固区应力光弹图形,按照美国AASHTO规范进行;而对于顶板和腹板由于纵向压缩量分布不均匀引起的横向拉力,则可借助有限元分析结果并考虑混凝土的抗拉强度,采用本文所述方法进行验算。

参 考 文 献

[1] 赵新华. 后张法正交20m空心板梁锚端附近裂缝成因及设计改进[J]. 桥梁建设, 2004(5)

[2] 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S]. 中国建筑工业出版社, 2002

[3] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG023-85[S]. 北京: 人民交通出版社, 1985

[4] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004


 

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