大吨位预应力锚垫板设计
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105MPa。锚下混凝土为 C40( 轴心抗压强度标准 值 f ck= 26 8MPa) 。由于各锚具间相互影响很小, 可
图 2 整体结构和锚垫板结构分析模型
3 2 计算结果分析 将有限元分析数据处理后, 得到任意单元节点
上六个应力分布规律, 包含 x、 y 、z、 xy 、yz、 xz ; 也 可得到单元的主应力 1 、 2 、 3 。考虑设计需要, 仅 取最大主应力 1 和最小主应力 3 进行分析比较, 确定锚垫板的结构型式。
取单个锚具隔离体分析锚下混凝土应力, 因此对于 37 孔的锚具, 锚下混凝土块的模型尺寸取为 1m 1m 1 5m。假定混凝土为线弹性材料, 其弹性模量 为 3 25 104MPa。MD15 37D 型后锚面锚垫板大样 见图 1, 所建的有限元模型见图 2。
图 1 MD15 37 孔右锚面锚垫板示意图
图 3 方案一的锚垫板型式示 意图( mm)
将优化设计后的锚垫板重新建模计算, 结果锚 下混凝土最大主应力 值为 22 6MPa, 出现在垫板顶 部的混凝土表面。锚下混凝土的 最小主应力值为 - 49 1MPa, 出现在肋板偏下部位, 压应力数值呈扇 状向外呈平缓 衰减趋势。与 MD15 37D 方案比较, 最大拉应力 1 增加了 5 6MPa, 最大压应力 3 减少 了 15 8MPa, 显然混凝土的局部压应力明显减小。 4 2 设计方案二
第 24 卷第 5 期 2008 年 5 月
[ 文章编号] 1002 8528( 2008) 05 0074 04
建筑科学
BUILDING SCIENCE
Vol 24, No 5 May 2008
大吨位预应力锚垫板设计
吴辉琴1 , 林桂武1, 谢肖礼2 , 林居章3, 陈建国3
( 1. 广西工学院土木建筑工程系, 广西 柳州 545006; 2. 广西大学土木建筑工程学院, 南宁 510004; 3. 广西柳州市威尔姆预应力有限公司, 广西 柳 州 545006)
WU H ui qin1 , LIN Gui wu1 , XIE Xiao li 2 , LIN Ju zhang3 , CH EN Jian guo 3
( 1. Dep artment of Civil Engineering, Guangxi University of Technology , Liuzhou 545006, Guangx i, China; 2. Dep artment of Civil Engineering, Guangxi University , Nanning 510004, China; 3. Liuzhou VLM Prestressing Co . Ltd . , Liuzhou 545006, Guangxi, China)
2 工程概况
四渡河特大桥是一座单跨双铰钢桁架加劲梁悬 索桥, 它横跨于湖北沪蓉西高速公路中一个 V 型 深切峡谷上, 跨径布置为 900+ 5 40m, 为目前国内 最大的; 主塔距谷底有 650 m 深, 被誉为迄今世界上 最高的桥; 大桥使用的锚碇预应力系统为环氧填充 型钢绞线加防腐油脂的单根可换式体系( 钢绞线强 度设计值为 1860N mm2) 。据委托方提 供的设计资
[ 收稿日期] 2007 09 25 [ 基金项目] 广西自然科学基金项目( 桂科自: 0066002)
广西自然科学基金项目( 桂科自: 0481002) [ 作者简介] 吴辉琴( 1965 ) , 女, 硕士, 副教授 [ 联系方式] whq6329@ 163. com
混凝土裂缝、桥梁耐久性受到影响, 或者支座内部锚 具附近产生局部拉应力, 导致腹板开裂问题等尤为 明显, 给预 应力锚固区局部构造 设计增加了难 度。 本文以四渡河特大悬索桥锚垫板设计为工程背景, 应用结构设计软件 ANSYS, 通过分析该桥锚垫板下 混凝土应力分布规律, 探讨大吨位锚具下锚垫板的 设计方法。
[ Key words] large tonnage anchorage; stress distribution; design of the anchor plate
1引言
预应力混凝土悬索桥具有受力合理、造型美观、 用料省、轻便等特点, 在各种体系的桥梁中, 其跨越 能力是最大的。随着预应力技术的发展、锚具不断 地改进, 设计、施工水平持续提高, 当前悬索桥的跨 径已经超越了 1000m。但跨径大、悬索自重轻, 需采 用大吨位的钢绞线和锚具, 才能满足桥梁受力和构 造要求, 因而也相应地带来一系列的设计问题。其 中施工过程中大吨位集中预加力通过锚具及其下面 不大的锚垫板传给混凝土时, 引起锚下局部承压区
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建筑科学
第 24 卷
锚下混 凝土最小 主应力 值为- 64 9MPa, 发生 在以锚心为圆心, 喇叭管垫板与管颈壁转角的部位, 影响范围比较小, 压应力数值呈扇状向外呈平缓衰 减趋势。锚下混凝土的压应力大大超过了材料抗压
强度的容许值。因而需要对原型锚垫板的结构型式 进行改制设计[ 3 4] 。
分析结果表明, 常规锚垫板下混凝土最大主应 力值 1 为 17 0MPa, 出现在喇叭管垫板上侧混凝土 表面; 拉应力出现在锚头张拉后; 混凝土表面因约束 而产生承压面下凹变形。分析发现在拉应力集中区 域, 拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度, 但作用区 域很小, 考虑到应力超过抗拉强度后, 应力释放并重 新分布, 结源自文库设计上可通过在锚垫板内部设立螺旋 筋来产生抗拉作用, 达到设计要求。
以此为据改变锚垫板的结构型式, 改善锚下混 凝土应力分布情况, 探索大吨位锚具局部承压可靠的 方法。
[ 关键词] 大吨位锚具; 应力分布; 锚垫板设计
[ 中图分类号] TU757. 2; U445. 47+ 1
[ 文献标识码] A
Design of the Anchor Plate under Large Tonnage Pre Stress
由于桥的跨距很大, 施工时必须施加大吨位的 预加力才能保证桥梁使用过程中的可靠与稳定。因 而在锚垫板下混凝土形成了较高的局部接触压应力 和横向拉应力, 且应力分布不均匀, 峰值较大, 它可 能使构件局部承压区产生不可闭合的纵向裂缝, 引 起局部破坏或锚垫板 的破坏。随 着荷载的长期作 用, 裂缝尖部将不断往纵深发展, 严重影响结构的耐 久性。为此我们应用结构设计软件 ANSYS 对锚垫 板及锚下混凝土进行有限元分析, 并根据国际预应 力协会( FIP) 规定的条款进行了一系列实验, 研究悬 索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质 要求, 以保证锚垫板的可靠和锚下混凝土的局部抗 压承载力[ 1, 2] 。
仍根据锚下混凝土应力分布情况将锚垫板型式 改为阶梯状, 锚垫板型式见图 4。用有限元结构设 计软件 ANSYS 分析锚下压局区内三维空间应力状 况, 结果锚下混凝土最大主应力值为 20 2MPa, 出现 在锚垫板顶部的混凝土表面。锚下混凝土的最小主
图 4 方案二的锚垫板型式示意图( mm)
4 3 方案选择 模拟计算结果表明, 两种设计方案均能有效地
应力值为- 43 0MPa, 出现在倒数第 2 个阶梯附近的 混凝土表面, 压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋 势。与 MD15 37D 方案比较, 最大值 1 增加了 3 2 MPa, 最小值 3 减少了 21 9MPa, 锚垫板改进效果十 分显著。
4 锚垫板的设计
4 1 设计方案一 原型锚垫板方案只有两层垫板, 锚下混凝土压
[ 摘 要] 随着桥梁技术的发展, 大吨位锚具的应用在不 断增加, 巨 大的预 压力将 通过锚具 及其下 面积不 大的垫 板传递
给混凝土, 引起很大的局部应力。为保证锚垫板下混凝 土的局部承压强度满足承载 力要求, 必须设计 受力合理的 锚垫板。本
文以四渡河特大桥方案为工程背景, 利用有限元分析软 件 ANSYS 模拟分析锚垫板在张拉预应力过程中的局部 应力分布 规律,
3 MD15 37D 型后锚面锚垫板应力分析
由结构分析知: 局部承压混凝土处于复杂应力 状态中, 局部措施不同可导致不同的破坏形态。当 张拉设计吨位、锚具布置位置和锚下混凝土等级确 定后, 锚垫板的结构型式将直接影响到锚下混凝土 的应力分布状况, 从而影响锚垫板的安全可靠和正 常使用。以 MD15 37D 型 后锚面锚垫板 为例, 本文 从分析原型锚垫板下混凝土三维应力着手, 通过分 析局压区内混凝土的空间应力分布状况, 应力峰值 的位置与大小等, 来调整锚垫板的型式, 控制锚下混 凝土的裂缝和局部受压破坏。
减小混凝土的局部压应力, 产生的最大主拉应力发 生在顶部的混凝土表面, 最小主压应力发生在锚垫 板偏下部位。预压应力从锚垫板开始往下呈逐步扩 散的趋势, 当距顶面 1 5 倍锚具长度后, 预压应力被 均匀地传递到整个截面上。但不同型式的锚垫板对 锚下混凝土的应力峰值有不同的影响。方案二在主 拉应力增加较小情况下, 压应力降低的幅度较方案 一大, 更容易接近施工要求。对设计方案进一步的 优化, 调整锚垫板相关尺寸, 发现方案一的应力潜力 已基本被发 掘, 局 部压应 力调 至设 计规定 的限 值 12 06 MPa 以内难以实现。
第 5期
吴辉琴 , 等: 大吨 位预应力锚垫板设计
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料要求, 设计单位选用了广西柳州市威尔姆预应力 有限公司 ( 简 称 VLM 公司) 生产的 VLM15 19 孔和 VLM15 37 孔锚具和专用夹 片及与之配套 的 MD15 19D 和 MD15 37D 型后锚面锚垫板( 图 1) , 经理论计 算和实验测试, 锚具和夹片的安全系数、锚固性能、 疲劳性能、可靠度等均满足设计和施工要求。
应力过大, 说明锚垫板没有充分发挥其传力的作用。 经分析, 混凝土的最大、最小应力的位置及竖向截面 应力分布云图、锚垫板等效应力云图等, 在不改变锚 垫板的材料属性和其他前提条件下, 通过改变锚垫 板型式, 即增加一层垫板, 并在第 1、2 层垫板间增加 四个肋板来增强垫板间力的传递; 将底层垫板改为 平整状, 增加锚垫板和混凝土的接触面积, 可达到减 小应力, 保证局部抗压强度的目的。优化后的锚垫 板型式见图 3。
3 1 模型建立 锚下混 凝 土 应力 分 析 采 用空 间 有 限 元 程序
ANSYS, 计算对象为 VLM 公司生产的 MD15 37D 型 后锚面锚垫板。计算工况 为结构自重 + 纵向预加 力, 将 8267kN 预加力换算为环面荷载作用于锚板单 元, 强大的预加力经锚垫板传到锚下混凝土。选三 维空间实体建模, 考虑预应力孔道, 将钢锚具与混凝 土同时划分单元, 分析锚下局压区内的三维空间应 力状况。锚垫板采用实际尺寸, 其弹性模量为 2 0
[Abstract] As the technique of bridge develops, the large tonnage anchorage has been used on the increase. Concrete should be sustained great pre pressure through anchorage and plate, leading to large partial pressure. In order to make the concrete under the anchor plate being strong enough to support the large partial pressure, the anchor plate should be matched. Taking the project of large bridge of Si Du River as an example, this paper analyzes the distribution discipline of the local stress of the anchor plate pre stressed with localized tendons by simulation with ANSYS, and explores the reliable solutions of partial pressure of large tonnage anchorage by changing the structure of anchor plate and improving the stress distribution of concrete under anchor plate.
图 2 整体结构和锚垫板结构分析模型
3 2 计算结果分析 将有限元分析数据处理后, 得到任意单元节点
上六个应力分布规律, 包含 x、 y 、z、 xy 、yz、 xz ; 也 可得到单元的主应力 1 、 2 、 3 。考虑设计需要, 仅 取最大主应力 1 和最小主应力 3 进行分析比较, 确定锚垫板的结构型式。
取单个锚具隔离体分析锚下混凝土应力, 因此对于 37 孔的锚具, 锚下混凝土块的模型尺寸取为 1m 1m 1 5m。假定混凝土为线弹性材料, 其弹性模量 为 3 25 104MPa。MD15 37D 型后锚面锚垫板大样 见图 1, 所建的有限元模型见图 2。
图 1 MD15 37 孔右锚面锚垫板示意图
图 3 方案一的锚垫板型式示 意图( mm)
将优化设计后的锚垫板重新建模计算, 结果锚 下混凝土最大主应力 值为 22 6MPa, 出现在垫板顶 部的混凝土表面。锚下混凝土的 最小主应力值为 - 49 1MPa, 出现在肋板偏下部位, 压应力数值呈扇 状向外呈平缓 衰减趋势。与 MD15 37D 方案比较, 最大拉应力 1 增加了 5 6MPa, 最大压应力 3 减少 了 15 8MPa, 显然混凝土的局部压应力明显减小。 4 2 设计方案二
第 24 卷第 5 期 2008 年 5 月
[ 文章编号] 1002 8528( 2008) 05 0074 04
建筑科学
BUILDING SCIENCE
Vol 24, No 5 May 2008
大吨位预应力锚垫板设计
吴辉琴1 , 林桂武1, 谢肖礼2 , 林居章3, 陈建国3
( 1. 广西工学院土木建筑工程系, 广西 柳州 545006; 2. 广西大学土木建筑工程学院, 南宁 510004; 3. 广西柳州市威尔姆预应力有限公司, 广西 柳 州 545006)
WU H ui qin1 , LIN Gui wu1 , XIE Xiao li 2 , LIN Ju zhang3 , CH EN Jian guo 3
( 1. Dep artment of Civil Engineering, Guangxi University of Technology , Liuzhou 545006, Guangx i, China; 2. Dep artment of Civil Engineering, Guangxi University , Nanning 510004, China; 3. Liuzhou VLM Prestressing Co . Ltd . , Liuzhou 545006, Guangxi, China)
2 工程概况
四渡河特大桥是一座单跨双铰钢桁架加劲梁悬 索桥, 它横跨于湖北沪蓉西高速公路中一个 V 型 深切峡谷上, 跨径布置为 900+ 5 40m, 为目前国内 最大的; 主塔距谷底有 650 m 深, 被誉为迄今世界上 最高的桥; 大桥使用的锚碇预应力系统为环氧填充 型钢绞线加防腐油脂的单根可换式体系( 钢绞线强 度设计值为 1860N mm2) 。据委托方提 供的设计资
[ 收稿日期] 2007 09 25 [ 基金项目] 广西自然科学基金项目( 桂科自: 0066002)
广西自然科学基金项目( 桂科自: 0481002) [ 作者简介] 吴辉琴( 1965 ) , 女, 硕士, 副教授 [ 联系方式] whq6329@ 163. com
混凝土裂缝、桥梁耐久性受到影响, 或者支座内部锚 具附近产生局部拉应力, 导致腹板开裂问题等尤为 明显, 给预 应力锚固区局部构造 设计增加了难 度。 本文以四渡河特大悬索桥锚垫板设计为工程背景, 应用结构设计软件 ANSYS, 通过分析该桥锚垫板下 混凝土应力分布规律, 探讨大吨位锚具下锚垫板的 设计方法。
[ Key words] large tonnage anchorage; stress distribution; design of the anchor plate
1引言
预应力混凝土悬索桥具有受力合理、造型美观、 用料省、轻便等特点, 在各种体系的桥梁中, 其跨越 能力是最大的。随着预应力技术的发展、锚具不断 地改进, 设计、施工水平持续提高, 当前悬索桥的跨 径已经超越了 1000m。但跨径大、悬索自重轻, 需采 用大吨位的钢绞线和锚具, 才能满足桥梁受力和构 造要求, 因而也相应地带来一系列的设计问题。其 中施工过程中大吨位集中预加力通过锚具及其下面 不大的锚垫板传给混凝土时, 引起锚下局部承压区
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建筑科学
第 24 卷
锚下混 凝土最小 主应力 值为- 64 9MPa, 发生 在以锚心为圆心, 喇叭管垫板与管颈壁转角的部位, 影响范围比较小, 压应力数值呈扇状向外呈平缓衰 减趋势。锚下混凝土的压应力大大超过了材料抗压
强度的容许值。因而需要对原型锚垫板的结构型式 进行改制设计[ 3 4] 。
分析结果表明, 常规锚垫板下混凝土最大主应 力值 1 为 17 0MPa, 出现在喇叭管垫板上侧混凝土 表面; 拉应力出现在锚头张拉后; 混凝土表面因约束 而产生承压面下凹变形。分析发现在拉应力集中区 域, 拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度, 但作用区 域很小, 考虑到应力超过抗拉强度后, 应力释放并重 新分布, 结源自文库设计上可通过在锚垫板内部设立螺旋 筋来产生抗拉作用, 达到设计要求。
以此为据改变锚垫板的结构型式, 改善锚下混 凝土应力分布情况, 探索大吨位锚具局部承压可靠的 方法。
[ 关键词] 大吨位锚具; 应力分布; 锚垫板设计
[ 中图分类号] TU757. 2; U445. 47+ 1
[ 文献标识码] A
Design of the Anchor Plate under Large Tonnage Pre Stress
由于桥的跨距很大, 施工时必须施加大吨位的 预加力才能保证桥梁使用过程中的可靠与稳定。因 而在锚垫板下混凝土形成了较高的局部接触压应力 和横向拉应力, 且应力分布不均匀, 峰值较大, 它可 能使构件局部承压区产生不可闭合的纵向裂缝, 引 起局部破坏或锚垫板 的破坏。随 着荷载的长期作 用, 裂缝尖部将不断往纵深发展, 严重影响结构的耐 久性。为此我们应用结构设计软件 ANSYS 对锚垫 板及锚下混凝土进行有限元分析, 并根据国际预应 力协会( FIP) 规定的条款进行了一系列实验, 研究悬 索桥锚固系统特制大吨位锚垫板的设计型式和材质 要求, 以保证锚垫板的可靠和锚下混凝土的局部抗 压承载力[ 1, 2] 。
仍根据锚下混凝土应力分布情况将锚垫板型式 改为阶梯状, 锚垫板型式见图 4。用有限元结构设 计软件 ANSYS 分析锚下压局区内三维空间应力状 况, 结果锚下混凝土最大主应力值为 20 2MPa, 出现 在锚垫板顶部的混凝土表面。锚下混凝土的最小主
图 4 方案二的锚垫板型式示意图( mm)
4 3 方案选择 模拟计算结果表明, 两种设计方案均能有效地
应力值为- 43 0MPa, 出现在倒数第 2 个阶梯附近的 混凝土表面, 压应力数值呈扇状向外呈平缓衰减趋 势。与 MD15 37D 方案比较, 最大值 1 增加了 3 2 MPa, 最小值 3 减少了 21 9MPa, 锚垫板改进效果十 分显著。
4 锚垫板的设计
4 1 设计方案一 原型锚垫板方案只有两层垫板, 锚下混凝土压
[ 摘 要] 随着桥梁技术的发展, 大吨位锚具的应用在不 断增加, 巨 大的预 压力将 通过锚具 及其下 面积不 大的垫 板传递
给混凝土, 引起很大的局部应力。为保证锚垫板下混凝 土的局部承压强度满足承载 力要求, 必须设计 受力合理的 锚垫板。本
文以四渡河特大桥方案为工程背景, 利用有限元分析软 件 ANSYS 模拟分析锚垫板在张拉预应力过程中的局部 应力分布 规律,
3 MD15 37D 型后锚面锚垫板应力分析
由结构分析知: 局部承压混凝土处于复杂应力 状态中, 局部措施不同可导致不同的破坏形态。当 张拉设计吨位、锚具布置位置和锚下混凝土等级确 定后, 锚垫板的结构型式将直接影响到锚下混凝土 的应力分布状况, 从而影响锚垫板的安全可靠和正 常使用。以 MD15 37D 型 后锚面锚垫板 为例, 本文 从分析原型锚垫板下混凝土三维应力着手, 通过分 析局压区内混凝土的空间应力分布状况, 应力峰值 的位置与大小等, 来调整锚垫板的型式, 控制锚下混 凝土的裂缝和局部受压破坏。
减小混凝土的局部压应力, 产生的最大主拉应力发 生在顶部的混凝土表面, 最小主压应力发生在锚垫 板偏下部位。预压应力从锚垫板开始往下呈逐步扩 散的趋势, 当距顶面 1 5 倍锚具长度后, 预压应力被 均匀地传递到整个截面上。但不同型式的锚垫板对 锚下混凝土的应力峰值有不同的影响。方案二在主 拉应力增加较小情况下, 压应力降低的幅度较方案 一大, 更容易接近施工要求。对设计方案进一步的 优化, 调整锚垫板相关尺寸, 发现方案一的应力潜力 已基本被发 掘, 局 部压应 力调 至设 计规定 的限 值 12 06 MPa 以内难以实现。
第 5期
吴辉琴 , 等: 大吨 位预应力锚垫板设计
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料要求, 设计单位选用了广西柳州市威尔姆预应力 有限公司 ( 简 称 VLM 公司) 生产的 VLM15 19 孔和 VLM15 37 孔锚具和专用夹 片及与之配套 的 MD15 19D 和 MD15 37D 型后锚面锚垫板( 图 1) , 经理论计 算和实验测试, 锚具和夹片的安全系数、锚固性能、 疲劳性能、可靠度等均满足设计和施工要求。
应力过大, 说明锚垫板没有充分发挥其传力的作用。 经分析, 混凝土的最大、最小应力的位置及竖向截面 应力分布云图、锚垫板等效应力云图等, 在不改变锚 垫板的材料属性和其他前提条件下, 通过改变锚垫 板型式, 即增加一层垫板, 并在第 1、2 层垫板间增加 四个肋板来增强垫板间力的传递; 将底层垫板改为 平整状, 增加锚垫板和混凝土的接触面积, 可达到减 小应力, 保证局部抗压强度的目的。优化后的锚垫 板型式见图 3。
3 1 模型建立 锚下混 凝 土 应力 分 析 采 用空 间 有 限 元 程序
ANSYS, 计算对象为 VLM 公司生产的 MD15 37D 型 后锚面锚垫板。计算工况 为结构自重 + 纵向预加 力, 将 8267kN 预加力换算为环面荷载作用于锚板单 元, 强大的预加力经锚垫板传到锚下混凝土。选三 维空间实体建模, 考虑预应力孔道, 将钢锚具与混凝 土同时划分单元, 分析锚下局压区内的三维空间应 力状况。锚垫板采用实际尺寸, 其弹性模量为 2 0
[Abstract] As the technique of bridge develops, the large tonnage anchorage has been used on the increase. Concrete should be sustained great pre pressure through anchorage and plate, leading to large partial pressure. In order to make the concrete under the anchor plate being strong enough to support the large partial pressure, the anchor plate should be matched. Taking the project of large bridge of Si Du River as an example, this paper analyzes the distribution discipline of the local stress of the anchor plate pre stressed with localized tendons by simulation with ANSYS, and explores the reliable solutions of partial pressure of large tonnage anchorage by changing the structure of anchor plate and improving the stress distribution of concrete under anchor plate.