预应力混凝土内部锚固区计算

文章编号:100926825(2008)1520051203
预应力混凝土内部锚固区计算
收稿日期:2008201202
作者简介:施永林(19622),男,高级工程师,杭州市钱江新城建设开发指挥部,浙江杭州　310002
杨建军(19812),男,助教,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海　200240
施永林　杨建军
摘　要:给出了应用于后张预应力混凝土构件内部锚固区配筋设计的拉压杆模型,提出配筋设计方法并进行了试验验证,结果证明STM 方法应用于预应力混凝土内部锚固区的配筋计算和局部承压验算是有效的。

关键词:预应力混凝土,锚固区,配筋,拉压杆模型中图分类号:TU378文献标识码:A
0　引言
拉压杆模型设计方法(STM )起源于桁架理论。

20世纪80年代末,德国学者Schlaich 在总结了Morsch ,Thuerlimann 等研究成果的基础上,首次提出了较为系统完善的拉压杆模型设计方法。

Schlaich ,Marti ,Collins and Mitchell 对混凝土压杆的有效系数提出
了合理的建议。

自此拉压杆模型方法在全世界范围内得到了广泛的使用,并已经被AASHTO 规范、CE B 规范、FIP 所采纳。

1990年,
Burdet ,O.L.和Sanders ,D.H.将拉压杆模型方法应用于后张预应
力混凝土锚固区配筋设计,并用试验加以验证[2]。

STM 方法可根据锚固区的受力特点,构建合适的拉压杆模
型,并据此进行完善的局部承压验算,是一种有理论依据的设计方法,比G B 5001022002有着更为合理的理论解释。

方、赵和程对拉压杆模型用于局部承压验算进行了较为详细的论证。

文中根据拉压杆模型理论,给出后张预应力混凝土构件内部锚固区的拉压杆模型。

以此模型为基础,进行配筋计算和局部承压验算,并通过试验进行验证。

1　后张预应力混凝土锚固区局部承压验算的拉压杆模
型方法1.1　锚固区的划分
将锚固区划分为L Z (Local Z one )和GZ (G eneral Z one )两个区域
[2]。

局部承压验算在L Z 中进行。

1.2　STM 方法验算局部受压承载力
拉压杆模型方法承压验算,主要包括以下几个方面的内
容[4]:
1)L Z 承压板下混凝土局部承压验算,考虑螺旋筋或网片的作用。

2)L Z 结点区垂直预应力钢筋方向的压杆承载力验算。

3)L Z 结点—压杆(Node 2strut )交界面上的压杆承载力验算。

4)L Z 边界(L Z 2GZ 交界面)上压杆承载力验算。

以上验算都可按照Roberts 所提出的受限混凝土抗压承载力公式进行。

需要指出的是:LZ 承压板下混凝土局部承压验算与G B 500102
2002局部抗压承载力验算相同。

但是STM 方法可以对与锚具相
距一段距离的位置处进行局部承压验算。

1.3　内部锚固区拉压杆模型的选择与配筋
FIP 建议的内部锚固区的拉压杆模型如图1所示。

图1中,
承压板尺寸a 与构件高度h 应满足1/9的关系,而对于a/h 不符合该要求的情况FIP 中则没有说明。

经计算发现,
如果在a =0.3h 时,仍然使用FIP 中建议的拉压杆模型,则会出
现回拉力的拉杆“穿过”锚具的现象,这是不可能发生的,FIP 建议的拉压杆模型不再适用a =0.3h 的情况。

因此根据有限元分析结果,提出了当a/h =0.3时的拉压杆模型,如图2所示。

配筋的计算过程如下。

1.3.1　确定拉杆位置
在得到合适的拉压杆模型之后,就可以根据模型中的几何条
件把各拉杆的位置确定下来,所配的钢筋重心应在拉杆位置处。

取外尺寸为图3的内锚构件为例。

按图2所示模型进行计算:由于我国规范中C40混凝土棱柱体轴心抗压强度设计值为19.5MPa ,标准值为27MPa ,立方体抗压强度标准值为40MPa ,换算成圆柱体抗压强度标准值为:f ′ck =0.79×f cu =0.79×40=31.6MPa ,设计值为f c =f ′ck /1.5=31.6/1.5=21MPa 。

锚固区钢筋选用一级钢筋,f y =210N/mm 2。

将受压面积转换为面积相等的正方形,可取锚具宽度为70mm ,对应构件的梁高为233mm ,实际取250mm ,符合要求,承压板b =50mm ,则各拉杆的实际位置为:
1)拉杆CC ′。

A I =0.489h =0.489×250≈120mm 。

2)拉杆EC ,E ′C ′。

EO =E ′O =0.207h =0.207×250≈50mm 。

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第34卷第15期2008年5月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.34No.15May.　2008
3)拉杆FF ′,GG ′。

它们到锚具的相对位置为FF ′=GG ′=0.06h =0.06×250≈15mm 。

4)拉杆EC 长度为200mm 。

1.3.2　配筋计算
根据所施加的预应力荷载可计算出各拉杆中的内力,以此作为配筋依据。

预应力荷载为:
F =σcon ×A s =1100×
138.6=152460N 。

则各拉杆内力及所需钢筋面积如表1所示。

表1　各拉杆内力及所需钢筋面积
拉杆CC ′
EC (E ′C ′
)FF ′
GG ′
拉力0.16F 0.086F 0.03F 0.055
F 结果/N 24393.613111.564573.88385.3钢筋/mm 2
116.16
62.44
21.78
40
具体配筋选择见图3。

1.3.3　
局部承压验算采用文献[5]和FIP 规范验算a =0.1h 时相同的方法,局部承压强度的验算主要包括承压板下混凝土的承载力验算、节点区压杆承载力验算、node 2strut 交界面压杆承载验算和local zone 2gener 2al zone 交界面压杆承载力计算。

经过验算,这些都满足要求。

根据如图2所示的模型,通过计算和验算,设计a =0.3h 时内锚区配筋如图3所示。

2　试验2.1　试验仪器
试验中主要用到的试验仪器包括:M TS 加载系统、DH3815静态应变测量系统、钢筋应变片、电铬铁、百分表、放大镜等。

在进行试验之前,应检查M TS 系统和应变测量系统能够正常使用。

2.2　内部锚固试件
根据有限元分析应力分布,设计内部锚固试件一个,试件尺寸如图3所示,承压板、螺旋筋按图3放置。

内锚试验主要目的是观察有限元分析中回拉力对构件的影响,验证根据STM 方法配筋是否安全合理,根据前期计算结果配置钢筋,如图3所示。

为了将试验机的压力传递到承压板上,在承压板上方预留圆柱形孔洞,试验时通过一传力棒(特制钢柱)将荷载传递到承压板上,模拟内锚的张拉过程。

2.3　试验过程
进行分级加载。

正式加载之前进行30kN 的预加载,以使试件处于理想状态。

裂缝产生之前,每级加载30kN ,裂缝产生之后,每级加载20kN 。

每级加载完毕,待试件变形稳定后,观察并记录裂缝的分布情况
、钢筋应变和百分表数值。

本级加载与下级加载之间时间间隔一般为10min 左右。

3　试件NM 试验过程与结果
内锚试验主要是为了验证根据STM 方法配筋的适用性与安
全性,同时观测回拉力在试验过程中的变化。

试验时应特别注意9号～
12号应变片随荷载增加的变化情况。

试件NM 的裂缝发展情况为:当荷载增加至100kN 时,在承压板下方对称轴位置处出现2条纵向细微裂缝。

当荷载增加到140kN 时,纵向裂缝向试件上下部发展,其中1条纵向裂缝一直沿斜向延伸至试件顶部,同时向试件底部发展。

当荷载达到120kN 时,在试件中部出现1条横向裂缝,并向试件左右两侧延伸,当荷载达到140kN 时,横向裂缝与1条纵向裂缝汇合,形成1条贯穿试件的裂缝。

此时所有裂缝宽度均在0.5mm 以内。

当荷载增加到180kN 时,试件顶部的斜裂缝贯穿试件截面,承压板附近的裂缝相互交叉,试件破坏。

图4显示了试件破坏后的情况。

由图5可以看出,当荷载达到100kN 时,箍筋应变有明显的增加过程,说明此时混凝土已经开裂。

试件破坏时,箍筋均达到屈服状态。

9号～12号纵向钢筋应变片的变化情况见图6。

由图6可以看出,纵向钢筋上的应变呈受压状态,随着荷载增加,压应变逐渐增大。

这是由于试件内部开洞后,在加载过程中,洞周围的混凝土向洞内压缩,引起纵向钢筋受压。

但当试件开
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山西建筑
文章编号:100926825(2008)1520053202
SATWE 计算软件在地下室结构设计中的应用
收稿日期:2008201218
作者简介:顾晓鹏(19752),男,工程师,新疆博乐农五师全新勘测设计有限公司,新疆博乐　833400
顾晓鹏
摘　要:针对地下室结构设计中存在的问题,介绍了地下室结构的设计要点,从受力分析、嵌固部位设置、计算软件的具体应用方面探讨了地下室结构设计的要点,为设计人员提供了参考数据。

关键词:地下室,结构设计,设计要点中图分类号:TU318文献标识码:A
目前城市建设中建造了大量的地下室及地下车库,由于涉及
到工期和投入的建设费用,设计中与地下室相关的不少问题也逐渐变得突出。

地下室按其使用功能可分为普通、人防和平战3类,这里仅对普通地下室设计中遇到的常见问题进行分析,并给出对策措施,以供工程设计参考。

1　地下室结构的设计要点
带有地下室的多高层建筑是一个由上部结构与地下室结构
共同组成的完整受力体系,具有共同的位移场,相互协调变形。

地下室与地上建筑并没有本质的区别,在计算机建模和计算分析
方面,地下室与地上结构基本相同。

例如SA TWE 计算软件可以
将地下室与上部结构作为一个整体同时考虑,这不仅使计算分析
更符合工程实际情况,也大大提高了设计效率。

当然,地下室与上部结构的受力及分析也有许多不同之处,
需要在设计中加以考虑,主要体现在:地下室受力因素不同,有回
填土的约束作用,需要考虑外墙和人防设计,以及确定嵌固端部
位等。

1.1　地下室受力分析
应用SA TWE 软件计算时,地下室与上部结构应整体分析。

此法不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算,而且可以考虑地下室位移和变形对上部结构的影响,使计算分析结果更符合真实情况。

在参数输入的过程中应注意以下几点:1)恒、活荷载。

如果地下室上部是没有建筑物的空旷场地,地下室顶板的附加荷载除考虑覆土重量外,还应考虑施工过程中和使用过程中可能出现的载重车荷载,与消防车荷载比较取大值。

2)土压力。

土压力引起的效应为永久荷载效应与可变荷载效应控制的组合时,土压力的荷载分项系数取1.2;为永久荷载效应控制的组合时,其荷载分项系数取1.35。

对于地面活荷载,同样应乘侧压力系数。

地下室底板强度计算时,根据G B 5000922001建筑结构荷载规范第3.2.5条板、覆土的自重荷载分项系数取1.0。

抗浮计裂后,钢筋的应变逐渐减小。

从内锚试件有限元分析得知,由于
锚具前后混凝土的应变变形不协调,会产生纵向的拉应力,导致纵向钢筋的压应力降低。

在实际预应力内锚构件中,孔洞是不存在的,如果在锚具周围没有纵向钢筋存在,纵向拉应力即回拉应力极有可能将混凝土拉裂,产生横向裂缝。

因此在内锚构件中,应当布置一定数量的纵向钢筋来承担回拉应力,这也是内锚试验的主要目的,验证回拉应力对构件的影响。

4　结语
1)箍筋应当在整个构件横截面范围内存在,箍筋的约束作用
对提高内锚的承载力起着很大作用。

2)STM 方法预测的内锚试件的极限荷载为152kN ,试验中试件极限荷载在180kN 以上,STM 方法是一种偏于安全的设计方法。

3)根据STM 方法设计的内锚试件,结合有限元分析和内锚
试验结果,内锚试件承压板周围存在回拉应力,应当按张拉荷载的25%在锚具四周配置纵向钢筋。

该纵向钢筋与预应力钢绞线距离不得大于1倍承压板尺寸,以承担回拉应力,延缓裂缝的发展。

参考文献:
[1]　Marsch E.Uber die Berechnung der G elenkquader [J ].Beton 2
und 2Eisen ,1924(12):1562161.[2]　Burdet O L.Analysis and Design of Anchorage Z ones in Post 2
Tensioned Concrete Bridges [D ].(Ph.D.diss )University of Texas ,Austin ,TX ,1990.
[3]　G B 5001022002,混凝土结构设计规范[S].[4]　Sanders D H ,Breen J E.Post 2Tensioned Anchorage Z one with
single straight Concentric Anchorages[J ].ACI Structure Jour 2nal ,1997(3):1462158.[5]　方从启,赵建立,程书剑.预应力锚固区设计的拉—压杆模
型试验研究[J ].工业建筑,2007(11):22223.
C alculation of internal anchorage zones in prestressed concrete elements
SHI Yong 2lin YANG Jian 2jun
Abstract :Strut 2and 2Tie Models was presented for the design of internal anchorage zones in post 2prestressed concrete elements.Methods for the design of distributed steel was presented and verified by experimental investigation.It was demonstrated that STM is an effective design method for the calculation of distributed steel and the chechin g calculation of the bearing stress in internal anchorage zones.K ey w ords :prestressed concrerte ,anchorage zone ,distributed steel ,Strut 2and 2Tie Models
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