李旺旺

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

UHPC是一種具有超高抗壓強(qiáng)度、優(yōu)異抗拉強(qiáng)度和良好耐久性的水泥基復(fù)合材料［1-3］，且在國內(nèi)外橋梁工程中已有部分應(yīng)用。1997年加拿大學(xué)者最早采用UHPC材料建造了60 m跨度人行橋，近年來中國學(xué)者將UHPC成功應(yīng)用于洞庭湖大橋、馬房大橋、佛陳大橋等橋面鋪裝層，UHPC材料具有良好的應(yīng)用前景。

隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的提升和鋼材加工工藝的發(fā)展，國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平不斷提升，日本、韓國部分工程使用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線強(qiáng)度已達(dá)2 400 MPa級，可有效節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材用量，提升工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性［4］。預(yù)應(yīng)力體系強(qiáng)度提高后，局部錨固區(qū)將承受更高的局部應(yīng)力，對局部受力區(qū)錨固體系和混凝土性能的要求也相應(yīng)提高。

UHPC可很好地適應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)超出80 MPa的高應(yīng)力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對UHPC局部受壓性能進(jìn)行了探索。馮崢等［5］將UHPC應(yīng)用于密集橫隔板箱梁錨固區(qū)開展足尺模型試驗(yàn)，結(jié)果表明UHPC在局部受力區(qū)可有效控制裂縫和發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度。楊俊等［6］對UHPC齒塊局部進(jìn)行承壓性能試驗(yàn)，通過有限元法探究了UHPC錨固區(qū)尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明UHPC可顯著提升齒塊局部抗裂和極限承載力。Choi等［7］研究了后張預(yù)應(yīng)力UHPC梁錨固區(qū)局部受壓性能，并對錨下鋼筋進(jìn)行了參數(shù)化分析，結(jié)果表明應(yīng)用UHPC后可適當(dāng)簡化錨下鋼筋布置。

預(yù)應(yīng)力體系強(qiáng)度提高后，UHPC在錨固區(qū)的局部受力性能尚不清楚，錨固體系、鋼筋配置和錨孔間距對錨固區(qū)受力性能的影響需要深入研究。本文通過建立UHPC錨固區(qū)局部受力有限元模型，對超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力作用下UHPC錨固區(qū)局部受壓進(jìn)行參數(shù)化分析。在優(yōu)化錨墊板形式的基礎(chǔ)上，分析間接鋼筋配置、局部尺寸、錨孔間距等因素對UHPC錨固區(qū)局部受壓性能的影響。

1 超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系UHPC結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系

我國高強(qiáng)度盤條及預(yù)應(yīng)力鋼絞線的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)成熟，具備研發(fā)新一代強(qiáng)度等級為2 200 ~ 2 400 MPa預(yù)應(yīng)力鋼絞線的技術(shù)及應(yīng)用條件。通過對2 200 ~2 400 MPa等級的超高強(qiáng)度鋼絞線和錨固體系開展系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可在工程結(jié)構(gòu)中予以應(yīng)用。

UHPC與2 400 MPa等級預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能具有很好的匹配適用性，本文以2 400 MPa鋼絞線為主要分析對象，2 200 MPa作為對比項(xiàng)。超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系參數(shù)見表1。

表1 超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系參數(shù)

1.2 UHPC材料

根據(jù)文獻(xiàn)［8-9］確定UHPC材料的力學(xué)參數(shù)：立方體抗壓強(qiáng)度為150 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度為7.2 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度為105 MPa，彈性模量為43.5 GPa。實(shí)際UHPC結(jié)構(gòu)中材料性能不應(yīng)低于上述指標(biāo)。

2 錨固區(qū)分析模型及控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 錨固區(qū)分析模型

按照Q/CR905—2022《鐵路工程預(yù)應(yīng)力鋼絞線用夾片式錨具、夾具和連接器》［10］中傳力試驗(yàn)的試件尺寸建立混凝土三維模型，采用布爾幾何方法建立鋼錨墊板幾何模型，螺旋筋、箍筋、縱筋均采用線單元模型。UHPC局部錨固區(qū)分析模型見圖1。混凝土采用有限元彈塑性損傷本構(gòu)模型，UHPC考慮受拉本構(gòu)關(guān)系，錨墊板及鋼筋采用雙線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系?；炷?、墊板采用三維六面體縮減積分單元，鋼筋采用三維桿單元?；炷羻卧L、寬、高均為20 mm，鋼筋單元長25 mm，錨墊板單元長、寬、高均為10 mm。

圖1 UHPC局部錨固區(qū)分析模型

2.2 構(gòu)件控制標(biāo)準(zhǔn)

基于UHPC材料的受力性能和混凝土局部受壓區(qū)構(gòu)件控制標(biāo)準(zhǔn)［10］，提出超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系UHPC錨固區(qū)構(gòu)件控制標(biāo)準(zhǔn)。

1）構(gòu)件承載能力要求：構(gòu)件極限承載力應(yīng)不低于1.2Fptk（Fptk為設(shè)計(jì)荷載），構(gòu)件加載至1.2Fptk時不得出現(xiàn)因負(fù)剛度引起的不收斂現(xiàn)象，局部受壓應(yīng)力不大于UHPC抗壓強(qiáng)度。

2）混凝土開裂控制要求：構(gòu)件加載至1.0Fptk時控制混凝土試件的拉應(yīng)力不超過UHPC抗拉強(qiáng)度。

3）錨墊板塑性變形要求：在1.0Fptk時控制等效塑性應(yīng)變總體不超過1.0%。

3 錨固區(qū)局部受力計(jì)算結(jié)果

3.1 錨墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)普通混凝土錨固區(qū)錨墊板結(jié)構(gòu)形式（M‐1），采用減小板厚、減小板寬和改變結(jié)構(gòu)形式的方式對錨墊板形式進(jìn)行優(yōu)化，分析不同錨墊板結(jié)構(gòu)形式下UHPC錨固區(qū)受力性能是否滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 錨墊板設(shè)計(jì)參數(shù)

針對2 200、2 400 MPa級鋼絞線參數(shù)，以普通混凝土錨固區(qū)錨墊板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)5種結(jié)構(gòu)形式，其截面形式及豎向剖面尺寸見圖2，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖2 錨墊板豎向剖面尺寸（單位：mm）

表2 錨固區(qū)不同錨墊板設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.2 錨墊板受力分析

由于不同形式錨墊板分析結(jié)果類似，以M‐5錨墊板分析結(jié)果為例進(jìn)行說明。M‐5錨墊板試件加載至1.0Fptk時，混凝土側(cè)面的主拉應(yīng)力為4.99 MPa，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)中混凝土開裂控制要求，見圖3（a）。鋼錨墊板的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.62 × 10-2，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)中錨墊板塑性變形要求，見圖3（b）。加載至1.2Fptk時，M‐5錨墊板剛度未出現(xiàn)負(fù)剛度和不收斂現(xiàn)象，見圖3（c）。主壓應(yīng)力為123.01 MPa，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件承載能力要求，見圖3（d）。

圖3 錨固區(qū)局部受壓計(jì)算結(jié)果

不同錨墊板形式下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果見表3。其中，M‐1—M‐3模型是一個系列，M‐4—M‐6是一個系列?？芍孩匐S著錨墊板體積減小，構(gòu)件主壓應(yīng)力有增大趨勢。與M‐1相比，M‐2混凝土主拉應(yīng)力和錨墊板塑性應(yīng)變均顯著增大。②隨著錨墊板結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小，混凝土主拉應(yīng)力和錨墊板塑性應(yīng)變無明顯變化趨勢。③M‐5錨墊板各項(xiàng)分析指標(biāo)滿足制標(biāo)準(zhǔn)要求，是UHPC錨固區(qū)較為合理的錨墊板形式，且其質(zhì)量僅為普通混凝土錨墊板質(zhì)量的35%。

表3 不同錨墊板形式下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果

3.2 間接鋼筋

以2 400 MPa級鋼絞線參數(shù)和M‐5錨墊板形式為基礎(chǔ)，分析超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力UHPC局部錨固區(qū)縱向鋼筋、箍筋和螺旋筋對UHPC局部受力性能的影響。

3.2.1 間接鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)

既有箱梁（通橋2322A‐2016）梁端錨固區(qū)縱筋截面比為0.71%，箍筋配筋率為208 kg/m3，據(jù)此設(shè)計(jì)UHPC錨固區(qū)間接鋼筋參數(shù)，螺旋筋采用HPB300級鋼筋，箍筋和縱筋采用HRB400級鋼筋，見表4。其中，R‐1按Q/CR905—2022要求的間接鋼筋配置，R‐2按既有箱梁（通橋2322A‐2016）錨固區(qū)間接鋼筋配筋率配置，R‐3—R‐6采用本文設(shè)計(jì)參數(shù)。

表4 錨固區(qū)不同間接鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)

螺旋筋內(nèi)徑是錨下局部結(jié)構(gòu)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，為分析螺旋筋不同內(nèi)徑情況下UHPC結(jié)構(gòu)局部受力性能，對螺旋筋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。各組構(gòu)件縱筋截面比均為0.23%，箍筋配筋率均為99 kg/m3。錨固區(qū)不同螺旋筋內(nèi)徑見表5。

表5 錨固區(qū)不同螺旋筋內(nèi)徑參數(shù)

3.2.2 間接鋼筋受力分析

不同間接鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果見表6。由表4和表6可知，隨著間接鋼筋配筋率減小，錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力增大，主壓應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變無顯著變化。

表6 不同間接鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果

不同螺旋筋內(nèi)徑下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果見表7。由表5和表7可知，隨著螺旋筋內(nèi)徑增大（250 ~ 350 mm），錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力增大，主壓應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變無顯著變化。說明螺旋筋內(nèi)徑對UHPC錨固區(qū)受力性能影響較小，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中可根據(jù)螺旋筋配置條件靈活調(diào)整內(nèi)徑尺寸。

表7 不同螺旋筋內(nèi)徑下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果

3.3 錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸

預(yù)應(yīng)力錨下結(jié)構(gòu)尺寸是控制梁端結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵參數(shù)，以2 400 MPa級鋼絞線參數(shù)和M‐5錨墊板為例，采用有限元法分析UHPC錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸減小后錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的受力性能。

3.3.1 錨固區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

Q/CR905—2022中規(guī)定2 400 MPa預(yù)應(yīng)力等級對應(yīng)的錨固區(qū)構(gòu)件尺寸為440 mm（長） × 440 mm（寬） ×880 mm（高），以此為基礎(chǔ)分析不同錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸下UHPC錨固區(qū)受力性能。構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)見表8。

表8 不同錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸下設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3.2 錨固區(qū)結(jié)構(gòu)受力分析

不同錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果見表9。由表8和表9可知，隨著結(jié)構(gòu)尺寸減小，錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力顯著增大，主壓應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變無顯著變化趨勢。這表明結(jié)構(gòu)尺寸對錨固區(qū)主拉應(yīng)力有重要影響，在減小錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸時需相應(yīng)提高UHPC抗拉強(qiáng)度，以滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 不同錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果

3.4 錨孔間距

UHPC應(yīng)用于超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系后，多錨孔情況下錨孔間距對錨固區(qū)受力性能有重要影響。因此，建立雙錨孔受力有限元模型對錨孔間距進(jìn)行參數(shù)化分析。

3.4.1 錨孔間距設(shè)計(jì)參數(shù)

既有箱梁（通橋2322A‐2016）梁端錨孔間距為350 mm，以此為基礎(chǔ)分析不同錨孔間距下UHPC錨固區(qū)受力性能。錨固區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)見表10。

表10 不同錨孔間距下錨固區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4.2 錨孔間距受力分析

不同錨孔間距下UHPC錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果見表11。由表10和表11可知，隨著錨孔間距的增大，錨固區(qū)混凝土主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變均先減小后增大，雙錨孔情況下較為合理的錨孔間距范圍為300 ~ 350 mm。

表11 不同錨孔間距下錨固區(qū)受力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1）UHPC材料具有超高的力學(xué)性能，應(yīng)用于超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系錨固區(qū)可提高混凝土抗拉強(qiáng)度、減小間接鋼筋配筋率和減少錨墊板質(zhì)量?；赨HPC材料力學(xué)性能，提出適用于UHPC錨固區(qū)的受壓控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）UHPC應(yīng)用于錨固區(qū)后，2 400 MPa等級預(yù)應(yīng)力錨墊板形式可由雙層結(jié)構(gòu)減小為單層結(jié)構(gòu)，錨墊板頂部環(huán)形承壓板厚度由16 mm減小為10 mm，豎向支撐板厚度由17 mm減小為10 mm，質(zhì)量比原來減小了65%。

3）間接鋼筋配筋率減少后，混凝土主拉應(yīng)力有增大趨勢，主壓應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變無顯著變化；錨固區(qū)結(jié)構(gòu)厚度減小，混凝土主拉應(yīng)力顯著增大，主壓應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變無顯著變化。

4）隨著錨孔間距增大，錨固區(qū)混凝土主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力和鋼墊板塑性應(yīng)變均先減小后增大。