預(yù)應(yīng)力梁橋齒板錨固區(qū)配筋設(shè)計(jì)的新方法

1、1. 概述自20世紀(jì)80年代以來(lái)，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展。然而，實(shí)踐表明，這些橋梁在建造和使用過(guò)程中常常出現(xiàn)不同程度、不同形式的裂縫，成了困擾著橋梁設(shè)計(jì)和施工的一個(gè)技術(shù)難題。根據(jù)結(jié)構(gòu)性裂縫的受力成因與出現(xiàn)部位，可以歸結(jié)為兩類：（1）結(jié)構(gòu)在總體受力條件下產(chǎn)生的裂縫；（2）結(jié)構(gòu)在局部受力條件下產(chǎn)生的裂縫。對(duì)于這兩類裂縫，可引入B區(qū)和D區(qū)的新理念加以分析。B區(qū)是指截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定的結(jié)構(gòu)區(qū)域；D區(qū)是指截面應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯非線性的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這些部位具有幾何構(gòu)造上的不連續(xù)或力流受擾動(dòng)的特點(diǎn)。從彈性階段開(kāi)始，平截應(yīng)變假定在這些區(qū)域就已經(jīng)不再成立，隨著荷載的增加，梁截面的抗

2、彎塑性發(fā)展模型不能揭示其破壞機(jī)理。預(yù)應(yīng)力錨固齒板由于齒板錨固區(qū)存在著幾何形體上的突變，集中錨固力的作用以及預(yù)應(yīng)力鋼束局部彎曲引起的徑向力作用，是混凝土結(jié)構(gòu)中的典型D 區(qū)，也是病害較多的區(qū)域，而目前針對(duì)齒板這類應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域的設(shè)計(jì)多依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范還沒(méi)有相應(yīng)的分析方法和設(shè)計(jì)理論。而在桁架模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的拉壓桿模型法被廣泛認(rèn)為是D 區(qū)尺寸擬定和配筋設(shè)計(jì)的有力工具。2.齒板錨固區(qū)內(nèi)的局部作用效應(yīng)齒板錨固區(qū)內(nèi)的受力比較復(fù)雜，預(yù)加力在齒板內(nèi)的擴(kuò)散效應(yīng)，錨頭偏心引起的彎曲效應(yīng)，預(yù)加力作用下齒板與腹板和底板（頂板）交接面的水平剪切效應(yīng)以及齒板內(nèi)力筋彎曲段的徑向力效應(yīng)均可能引起齒板開(kāi)裂，通過(guò)分

3、析應(yīng)力等值線(圖1)，去除量值較小的部分，將拉應(yīng)力的集中分布區(qū)域及其產(chǎn)生原因歸咎于七種局部作用效應(yīng)，分別是：(1) 齒板錨下拉應(yīng)力區(qū)，起因于錨下劈裂效應(yīng)；(2) 齒塊與底板交接處的拉應(yīng)力區(qū)，起因于牛腿效應(yīng)；(3) 錨后拉應(yīng)力區(qū)，起因于錨后牽拉效應(yīng)；(4) 底板下緣拉應(yīng)力區(qū)，起因于局部彎曲效應(yīng)；(5) 預(yù)應(yīng)力孔道彎曲段附近拉應(yīng)力區(qū)，起因于徑向力效應(yīng)；(6) 齒塊前方底板內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)，起因于預(yù)加力在底板內(nèi)擴(kuò)散的劈裂效應(yīng)；(7) 齒塊與底板交界面附近的拉應(yīng)力區(qū)，起因于水平剪切效應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)圖2進(jìn)一步通過(guò)齒板內(nèi)的隔離體受力平衡揭示這七種局部作用效應(yīng)。3.齒板錨固區(qū)拉壓桿模型拉壓桿模型是從連續(xù)體內(nèi)抽象出的

4、離散桁架模型，由壓桿、拉桿和節(jié)點(diǎn)組成，用以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳力機(jī)制。拉壓桿模型中壓桿代表受壓混凝土的作用，拉桿主要由鋼筋來(lái)承擔(dān)，拉壓應(yīng)力場(chǎng)的交匯區(qū)則由節(jié)點(diǎn)模擬。拉壓桿模型的基本構(gòu)形一般需借助于有限元分析得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力跡線，按照桿件中心盡量與應(yīng)力跡線重合的準(zhǔn)則來(lái)確定。以應(yīng)力跡線為基準(zhǔn)的構(gòu)形方法可減少結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中的應(yīng)力重分布，并保證鋼筋配置在裂縫最可能出現(xiàn)的區(qū)域。由齒板錨固區(qū)內(nèi)的應(yīng)力跡線分布可知，預(yù)加力同時(shí)在齒板立面和平面內(nèi)擴(kuò)散，嚴(yán)格意義上講，需建立空間拉壓桿模型以反映預(yù)加力在齒板內(nèi)的傳力機(jī)制，然而，空間拉壓桿模型相對(duì)復(fù)雜，拉壓桿模型的基本構(gòu)形不易確定，為簡(jiǎn)化建模，將齒板錨固區(qū)的拉壓桿模型

5、分解為：預(yù)加力從齒塊向底板內(nèi)傳遞的拉壓桿模型、預(yù)加力在底板內(nèi)擴(kuò)散的拉壓桿模型以及徑向區(qū)橫向拉壓桿模型等。經(jīng)過(guò)一系列演進(jìn)步驟，最終形成齒板錨固區(qū)的精細(xì)化拉壓桿模型，如圖3所示。為進(jìn)一步說(shuō)明精細(xì)化拉壓桿模型的合理性，將局部作用效應(yīng)與拉壓桿構(gòu)形間的對(duì)應(yīng)關(guān)系列于表1，從表中可以看出，上文提出的拉壓桿構(gòu)形與齒板錨固區(qū)內(nèi)的局部作用效應(yīng)一一對(duì)應(yīng)，若以此模型為依據(jù)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，可保證齒板內(nèi)易開(kāi)裂的區(qū)域均可得到配筋的加強(qiáng)。表1 局部作用效應(yīng)與拉壓桿構(gòu)形的對(duì)應(yīng)關(guān)系局部作用效應(yīng)拉壓桿構(gòu)形錨下劈裂效應(yīng)拉桿4-5牛腿效應(yīng)拉桿2-3局部彎曲效應(yīng)拉桿3-7徑向力效 應(yīng)孔道上方劈裂效應(yīng)+梁效應(yīng)拉桿28-29孔道兩側(cè)牽拉效應(yīng)拉

6、桿18-20及19-21底板內(nèi)的橫向劈裂效應(yīng)拉桿28-30及29-31水平剪切效應(yīng)桁架模型內(nèi)的拉桿腹桿及拉桿14-154、齒板錨固區(qū)配筋計(jì)算方法4.1配筋量的計(jì)算方法齒板錨固區(qū)拉壓桿模型的確定是配筋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，抗裂鋼筋的配筋數(shù)量由對(duì)應(yīng)的拉壓桿模型中拉桿內(nèi)力控制。參照AASHTO(LRFD2004)等設(shè)計(jì)規(guī)范的建議，按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行齒板錨固區(qū)的配筋設(shè)計(jì)，抗裂鋼筋所需配筋量可計(jì)算如下：（式1）式中， 為需配的鋼筋面積； 為拉桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值； 為強(qiáng)度折減系數(shù)； 為鋼筋屈服強(qiáng)度。由式(1)可知，局部作用效應(yīng)引起拉力的是影響配筋量計(jì)算的主要因素。根據(jù)有限元分析得到的應(yīng)力跡線構(gòu)建出的拉壓桿模型，能夠

7、反映齒板的主要受力情況，該模型是靜定結(jié)構(gòu)，根據(jù)平衡條件可求出各桿件的內(nèi)力。根據(jù)拉壓桿模型中節(jié)點(diǎn)力的平衡條件以及模型幾何關(guān)系，結(jié)合表1，可給出齒板不同區(qū)域內(nèi)，抵抗局部作用效應(yīng)的抗裂鋼筋應(yīng)承擔(dān)拉力的大小，從而可計(jì)算出所需鋼筋。4.2抗裂鋼筋布置齒板內(nèi)力筋彎曲段采用豎向箍筋抵抗預(yù)應(yīng)力徑向力作用。布置水平向和豎向箍筋，形成正交的鋼筋網(wǎng)以抵抗錨下爆裂力以及水平剪力的作用。兩個(gè)方向的箍筋均應(yīng)伸入腹板和底板內(nèi)錨固，并保證有足夠的錨固長(zhǎng)度，布筋方式見(jiàn)圖4所示。圖4齒板錨固區(qū)鋼筋布置示意圖5.小結(jié)預(yù)應(yīng)力梁橋齒板錨固區(qū)作用有較大的錨固集中力，錨具前方和后方均可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且，鋼束由底板進(jìn)入齒板錨固時(shí)，局部彎曲部位也將有徑向力作用。同