郭 鑫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

摘 要： 簡(jiǎn)要介紹了橋梁結(jié)構(gòu)局部承壓的受力特點(diǎn)、破壞形式和破壞機(jī)理,，及局部承壓的計(jì)算方法,，并通過(guò)沈陽(yáng)繞城高速公路項(xiàng)目中的工程實(shí)例,，分析驗(yàn)算了后張法預(yù)應(yīng)力鋼束的局部承壓承載能力。

關(guān)鍵詞： 受力特點(diǎn),；破壞形式,；破壞原理；后張法預(yù)應(yīng)力,；局部承壓,；局部承載力；錨固區(qū)

局部承壓是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面上僅有部分面積(局部)承受壓力的狀態(tài),。局部承壓是橋梁結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的受力形式之一,。例如：后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部錨固區(qū)、承受支座傳遞集中荷載的橋梁墩臺(tái)蓋梁,、拱橋的拱圈鉸接支撐位置等均是橋梁結(jié)構(gòu)中典型的局部承壓部位,。隨著橋梁規(guī)模、跨徑越來(lái)越大,，預(yù)應(yīng)力和支座的噸位也隨之增大,。在工程實(shí)踐中，因?yàn)闃?gòu)件局部承載力不足導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的情況時(shí)有發(fā)生,，因此工程設(shè)計(jì)人員必須予以重視,。

1 局部承壓的受力特點(diǎn)

1.1 局部承壓區(qū)域的定義

結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部面積上承受壓應(yīng)力荷載，這個(gè)應(yīng)力從截面的端部向構(gòu)件內(nèi)逐漸擴(kuò)散到一個(gè)較大的截面積上,。實(shí)驗(yàn)表明,，這個(gè)截面上的壓力基本上是均勻分布的。也就是說(shuō),，這個(gè)截面以下基本是全截面受壓,，我們把這個(gè)截面到構(gòu)件表面的區(qū)域稱為局部承壓區(qū)。

1.2 局部承壓的受力特點(diǎn)

局部承壓區(qū)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜,，它實(shí)際上是側(cè)向混凝土的承載能力問(wèn)題,。遵循平面假定原則，局部承壓區(qū)內(nèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度,，可以采用承壓面積相同的混凝土軸心受壓試件的抗壓強(qiáng)度來(lái)模擬,。試驗(yàn)結(jié)果表明，局部承壓試件的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于全截面受壓(承壓面積相同的棱柱體)抗壓強(qiáng)度,。分析其原因主要是直接受壓的混凝土的橫向變形，不僅受構(gòu)件之間的摩擦阻力約束,，而且還受構(gòu)件周圍混凝土的約束,。這使中間混凝土側(cè)向受壓，限制了縱向裂縫的發(fā)展,，因此其抗壓強(qiáng)度比棱柱體大很多,。

與混凝土全截面受壓相比,，局部承壓有如下特點(diǎn)：

(1)相同截面積的局部承壓混凝土的抗壓強(qiáng)度比全截面承壓的抗壓強(qiáng)度高。

(2)局部承壓區(qū)的中部有橫向拉應(yīng)力,，它能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫,。

(3)構(gòu)件表面承壓面積小于構(gòu)件截面積。

2 局部承壓的破壞形式和破壞原理

2.1 局部承壓的破壞形式

對(duì)于混凝土局部承壓的破壞形態(tài),，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究,。研究表明，混凝土局部承壓的破壞形態(tài)主要與局部承壓面積與構(gòu)件截面面積的比值有關(guān),。對(duì)于對(duì)稱作用于構(gòu)件截面的軸心承壓,，主要有以下三種破壞形態(tài)：

(1)局部混凝土下陷脫落

當(dāng)試件的面積與局部承壓面積相比很大時(shí)，在試件整體破壞前,，局部承壓面以下的混凝土先破壞下陷,。但此時(shí)外圍混凝土尚未劈裂，隨著荷載的持續(xù)增加,，構(gòu)件混凝土最終劈成數(shù)塊而破壞,。

(2)開(kāi)裂即破壞

當(dāng)試件的面積與局部承壓面積相比較大時(shí)，試件一開(kāi)裂就破壞,，破壞很突然,，裂縫從頂面向下發(fā)展，裂縫寬度下小上大,，局部承壓面積外圍混凝土被劈裂成數(shù)小塊,，而局部承壓面下的混凝土被沖剪成一個(gè)楔形體。

(3)先開(kāi)裂后破壞

當(dāng)試件的面積與局部承壓面積比較接近時(shí),，在達(dá)到50%～90%的破壞荷載條件下,，試件某一側(cè)面首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加,，裂縫逐漸延伸,，其他側(cè)面也相繼出現(xiàn)類似的裂縫，最后承壓面以下的混凝土被沖剪成一個(gè)楔形體,，試件最終被劈裂成數(shù)塊而發(fā)生劈裂破壞,。

2.2 局部承壓的破壞原理

關(guān)于局部承壓的破壞機(jī)理，普遍存在兩種理論,，即剪切理論和套箍理論,。剪切理論較好地反映了混凝土局部承壓的破壞機(jī)理和受力過(guò)程。

2.2.1 剪切理論

這個(gè)理論認(rèn)為,，在局部荷載作用下,，局部承壓區(qū)的受力特征猶如一個(gè)帶多根拉桿的拱結(jié)構(gòu)，緊靠承壓位置下面的混凝土,，亦即拉桿部位的混凝土承受橫向拉力,。當(dāng)局部承壓荷載達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí),，部分拉桿由于局部承壓區(qū)中橫向拉應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂，進(jìn)而產(chǎn)生局部縱向裂縫,，但此時(shí)尚未形成破壞機(jī)構(gòu),。隨著荷載繼續(xù)增加，更多的拉桿被拉斷,，裂縫進(jìn)一步增多和延伸,，內(nèi)力進(jìn)一步重分配。當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載時(shí),，承壓板下面的混凝土在剪壓作用下形成楔形體,，產(chǎn)生剪切滑移面，楔形體的劈裂最終導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)破壞,。

2.2.2 套箍理論

套箍理論認(rèn)為,，局部承壓區(qū)的混凝土可看做是承受側(cè)向壓力作用的混凝土芯塊，當(dāng)局部荷載作用增大時(shí),，受擠壓的混凝土向外膨脹,，而周圍混凝土起著套箍作用阻止其橫向膨脹，因此,，抗壓區(qū)混凝土處于三向受壓狀態(tài),，提高了芯塊的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)周圍混凝土環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度時(shí),，試件即告破壞,。

3 局部承壓計(jì)算的基本公式

3.1 驗(yàn)算局部承壓區(qū)的截面尺寸

roFld≤Fcr=1.3ηsβfcdAln

(1)

式中：ro—橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Fld—受壓面積上的局部壓力設(shè)計(jì)值,，對(duì)于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件錨頭局部受壓區(qū)可取張拉控制力的1.2倍,；

ηs—混凝土局部承壓修正系數(shù)，混凝土強(qiáng)度為C50及以下時(shí)ηs取1.0,，混凝土強(qiáng)度為C50～C80時(shí)ηs取1.0～0.76,，中間值內(nèi)插；

β—混凝土承壓強(qiáng)度提高系數(shù),，β=(Ab /Al)1/2,；

Fcr—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Aln—扣除孔洞后的局部承壓面積,；

Al—局部承壓面積,；

Ab—局部承壓的計(jì)算底面積。

3.2 驗(yàn)算局部承壓區(qū)的承載能力

roFld≤Fu=0.9(ηsβfcd+kρυβωγfsd)Aln

(2)

式中：k—間接鋼筋影響系數(shù),，混凝土強(qiáng)度為C50及以下時(shí)k取2.0,，混凝土強(qiáng)度為C50～C80時(shí)ηs取2.0～1.7，中間值內(nèi)插,；

ρυ—間接鋼筋體積配筋率,，當(dāng)為螺旋鋼筋時(shí)ρυ=4As/dcorS, S為螺旋鋼筋層間距，As為單根螺旋鋼筋面積,；

βωγ—配置間接鋼筋時(shí)局部承壓承載能力提高系數(shù),；

dcor—螺旋形間接鋼筋內(nèi)表面范圍內(nèi)核心混凝土的直徑；

fsd—間接鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,。

其余符號(hào)意義同式(1),。

4 局部承壓計(jì)算實(shí)例

下面以沈陽(yáng)繞城高速公路寧官公公分離式立交橋?yàn)槔?yàn)算后張法預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)局部承壓承載力,。設(shè)計(jì)資料如下：

本橋橋梁寬度47m,，設(shè)計(jì)角度90°，橋孔布置為(20+30+30+20)m,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,，截面為單箱四室,。下部采用柱式墩，肋板式臺(tái),，鉆孔灌注樁基礎(chǔ),。箱梁采用C50混凝土，fcd=22.4MPa,。連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,，鋼絞線的編束為φs15.2-18，公稱直徑15.2mm,，公稱面積139mm2,，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度均為fpk=1860MPa，張拉控制內(nèi)應(yīng)力為1395 MPa,，彈性模量Ep=1.95×105 MPa,。錨具采用OVM.M群錨體系設(shè)計(jì)，錨下螺旋筋采用R235級(jí),，直徑18mm,，fsd=195MPa。橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)《OVM預(yù)應(yīng)力產(chǎn)品樣冊(cè)》,，鋼絞線外徑114mm，錨板厚度為70mm,，螺旋筋間接鋼筋內(nèi)徑310mm,。考慮在錨板中沿45°剛性角擴(kuò)大后的圓形局部承壓面積Al的直徑a=114+70×2=254 mm,，局部承壓面積Al =π/4×a=π/4×2542=50671mm2,。

局部承壓計(jì)算直徑d=a+a×2=254+254×2=762mm。

局部承壓計(jì)算面積Ab =π/4×d2=π/4×7622=456036mm2

孔洞面積An =139×18=2502 mm2

扣除孔洞后的局部承壓面積Aln =Al-An=50671-2502=48169mm2

螺旋筋間接鋼筋內(nèi)核心混凝土的直徑dcor=310mm,，核心混凝土的面積

混凝土局部承壓提高系數(shù)

β=(Ab /Al)1/2=(456036/50671)1/2=4.0

配置間接鋼筋時(shí)局部承壓承載能力提高系數(shù)βωγ=(Acor /Al)1/2=(75477/50671)1/2=1.22

根據(jù)《OVM預(yù)應(yīng)力產(chǎn)品樣冊(cè)》,，單根螺旋鋼筋的面積As=330 mm2,，螺旋筋間距s=60mm，布置層數(shù)n=6,，螺旋筋體積配筋率ρυ=4As/dcorS=4×330/(310×60)=0.071

4.2 局部承壓區(qū)混凝土截面尺寸驗(yàn)算

局部承壓壓力設(shè)計(jì)值取1.2倍張拉控制力Fld =1.2×1395×106×139×10-6×18=4188kN

本橋采用C50混凝土,，ηs=1.0。橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)ro=1.0,。根據(jù)3.1條,，1.3ηsβfcdAln=1.3×1.0×4.0×22.4×48169=4208kN>roFld=1.0×4218 kN

因此，局部承壓區(qū)尺寸滿足要求,。

4.3 局部承壓承載能力驗(yàn)算

根據(jù)式(2),，可得：

0.9(ηsβfcd+kρυβωγfsd)Aln=0.9×(1.0×4.0×22.4+2×0.071×1.22×195) ×48169=4378>roFld=1.0×4218 kN

因此，局部承壓區(qū)承載能力滿足要求,。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)筆者的工程經(jīng)驗(yàn),，簡(jiǎn)要介紹了局部承壓的受力特點(diǎn)、破壞形式和破壞原理,，進(jìn)而介紹了局部承壓的計(jì)算方法,，并通過(guò)沈陽(yáng)繞城高速公路項(xiàng)目中的工程實(shí)例，簡(jiǎn)要地分析計(jì)算了后張法預(yù)應(yīng)力鋼束的局部承壓承載力,。

伴隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛躍式發(fā)展,，橋梁工程建設(shè)技術(shù)不斷取得進(jìn)步，橋梁預(yù)應(yīng)力技術(shù)和橋梁支座技術(shù)也取得了巨大的突破,，這些位置正是局部承壓破壞容易發(fā)生的部位,。因此，在工程前期設(shè)計(jì)時(shí),，工程師必須給予足夠重視,。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Brief Discussion on Local Bearing Calculation of Bridge Structure

GUO Xin

(Liaoning Provincial Communication Planning and Design Institute Co.,，Ltd.,Shenyang 110166,China)

Abstract The loading features, failure mode and failure mechanism of local bearing of bridge structure are introduced briefly, the calculation method for local bearing is introduced, and the analysis and checking calculation on local bearing capacity of prestressed steel strand are made by using post-tensioning method based on the project case in Shenyang belt freeway project.

Key words Loading features; Failure mode; Failure principle; Post-tensioned prestressing; Local bearing; Local bearing capacity; Anchorage zone

中圖分類號(hào)： U441+.5