大跨度预应力箱梁锚固区极限承载能力分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第l页第1章绪论1．1研究背景和目的近年来，在桥梁、大坝、压力容器等结构工程中开始采用单索拉力高达400～600t的预应力束，在大吨位预应力束的锚固压力作用下，锚固区将产生很大的局部压应力和横向(与荷载轴线垂直的方向)拉应力【1]，导致混凝土压碎或者拉裂破坏，影响预应力的有效传递，轻则产生工程质量隐患、影响结构的使用安全和寿命，重则引起工程事故。因此，在许多工程设计中，锚固区的抗裂性和安全性成为决定混凝土标号的重要因素之一。为了提高预应力束单束张拉力，多种新型的特殊锚具口1被应用到实际工程中，图1．1为应用比较普遍的两种大吨位锚具口】。沁黔

2、锄躐图1．I两种不同形状的特殊锚具新型锚具形状独特，具有多个传力路径，再结合配套使用的局部加强措施，能够大大提高锚固区混凝土的承压能力【4I。但是，特殊锚具与混凝土接触面转折较多，其锚固区混凝土的应力状态十分复杂。工程界一直缺乏既精确又简易的针对此类锚固区安全性和抗裂性的验算方法。为确保结构安全，需要对锚固区进行详细的理论分析和试验研究。西南交通大学硕士研究生学位论文第2页本文以研究大跨度预应力混凝土箱梁锚固区混凝土的极限承载能力为主要目的，．以广珠线虎跳门特大桥(初步设计方案)为工程背景。广珠线虎跳门特大桥(初步设计方案)为一座跨度达200米的PPC铁路连续刚构桥梁，

3、其最大预应力达’530吨，其腹板非常之薄，在仅仅只有1米宽的腹板上并排布置两束这样大的预应力，由于这两束预应力相隔非常近，在张拉预应力的过程中，这两束预应力筋周围的局部区域应力会发生重叠【5】以及在张拉过程中有可能会开裂或破坏，本文通过线弹性和弹塑性有限元计算，分析在大吨位预应力作用下，主梁断面上最薄区域(即腹板)锚下极限承载能力，考察施工过程中张拉预应力钢束时的安全性并对预应力孔道周围的布筋提出合理建议。1．2锚下混凝土的应力分布特征迄今为止，工程界己经对预应力混凝土结构的锚固区的局部应力分布情况进行过许多有限元分析和试验研究【6】。根据过去的研究分析结果，人们常把锚

4、下混凝土体划分为局部区和总体区(LocalZones＆GeneralZones)进行承载能力的设计。图1．2为局部区和总体区的分布位置，图中的锚垫板为刚性板。根据主压应力的分布情况，锚垫板下方一倍边长的深度以上为局部区的范围。局部区以外的部分，称为总体区。昌L—ocaeli卜J趔，≮图1．2线弹性有限元计算得到的应力云图以及局部区和总体区的划分局部区内的主压应力数值较大，区内混凝土的破坏以压碎为主，因此局部区主要用于进行局压强度的分析和验算。总体区内的混凝土较容易出现拉裂破坏，因此总体区主要用于进行抗裂性的分析和验算。随着试验资料的积累以及计算分析的深入发展，局部区、总

5、体区划分方法被认为是过于简单。根据线弹性有限元分析结果，锚固区又被划分出三种类型的应力集中区吲(图1．3)，第一个为承压应力区(BearingStressZones)，卜÷Lo

6、西南交通大学硕士研究生学位论文第3页它出现在锚板一混凝土接触面附近．，当局部压力超过容许值时引起混凝土压碎破坏。第二个是锚垫板下面一定深度范围内出现的崩裂应力区(BurstingStressZones)，区内混凝土的横向拉应力较大，容易发生脆性断裂。第三个为碎落区(spallingStressZones)，位置在混凝十自由表面附近，混凝土容易发生脆性拉裂破坏。穗匿力律用a)应力集中区的类型和分布

7、示意b)锚固端崩裂应力的分布示意图1．3承压区、崩裂区和碎落区及其分布示意图碎落应力的产生也是有多种原因的，图1．4为各种不同成因导致的碎落应力。图1．4(a)中的碎落应力出现在混凝土的自由表面；图1．4(b)中的碎落应力出现在两个锚头的中间部分；图1．4(c)中的碎落应力往往出现在薄壁构彳肇【8】J-oa)compatibilityinducedb)equilibriuminducedc)anchoragezonefailure图1．4各类碎落应力示意图根据锚下混凝土的这种应力分布特点，锚固区破坏主要有如下三种形式：西南交通大学硕士研究生学位论文第4页(1)承压应力区

8、的混凝土发生压碎破坏；(2)崩裂应力区的混凝土发生拉裂破坏；(3)碎落应力区的混凝土发生拉裂破坏。’上述对锚下混凝土受力特性的认识都是以基本形式锚具为研究对象得到的。基本形式锚具是较早出现的锚具，其形状一般是一块刚度较大的平板，如图‘1．5所示。为表述方便，本文中对这一类锚具一律统称为基本锚具，以与新型的特殊锚具相区别。图1．5基本锚具1-3锚下混凝土的破坏机理及验算方法1．3．1中国规范对锚下混凝土破坏机理的分析我国规范中介绍了锚固区常见的A、B两种混凝土裂缝如图l-6．所示。裂缝A分布在锚垫板下面一定深度范围内9-而裂缝B则出现在锚垫