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摘 要：在采用预制阶段施工方法进行桥梁建设时，通常要用到临时预应力体系来进行拼装。临时预应力体系通常采用钢绞线或粗钢筋两种材料，而其中最关键的问题是预应力钢筋的锚固方法。本文主要对锚固区域的传力途径以及边界非线性进行分析，并有针对性提出钢锚靴的优化设计。
关键词：体外临时预应力；粗钢筋；钢锚靴；传力途径；边界非线性；优化设计
中图分类号：U441.5 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）10-0231-02
前言
现代建筑对施工要求越来越高，日益成熟的预制节段体外预应力技术被越来越多地应用于桥梁建设中。采用预制节段施工方法进行桥梁建设时，当然要涉及临时预应力拼装体系。其中，临时预应力体系中的预应力筋可以采用钢绞线或粗钢筋，其中粗钢筋体系的锚固结构具有构造简单、经济实惠、使用便捷、锚固可靠及不划丝等优点，并且装卸方便，可以重复使用，受到了很多国外建筑工作者的推崇。但目前国内对此方面的研究较少，笔者根据自己多年工作经验及相关资料的查询，对体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计提出了自己的看法，希望对广大的建筑工作者提供帮助。
1 钢锚靴受力理论分析
一般而言，钢锚靴受到螺纹钢筋的预压力及粗钢筋预压力等外力作用。当其合力恰好可以通过钢锚靴剪力齿侧面而垂直传递到混凝土板时，可以理解为最理想的受力状态。建设此时的力全部由钢锚靴剪力齿的侧面传递，并且应力在接触面上均匀分布。当螺纹钢筋的预应力以及粗钢筋预应力平移至钢锚靴的中点，并附加相应的力偶时，为达到理想的受力状态，需要满足合理垂直于剪力齿侧面，并且合理偶距需为零，此时将主力分解为大小相等的三个力分别作用在各剪力齿侧面便能成为理想的受力状态。
2 锚固区域的传力路径及边界非线性分析
当锚固区域受力后，混凝土板受到的作用力先是垂直于凹槽设计向受压侧传递，接着慢慢改变方向向水平方向传递，而距离钢筋锚固段越远的凹槽，设计受力面受到的压力就更大。粗钢筋预应力通过锚垫板经由端板、螺纹钢筋上垫板、加固块、顶板以及侧板传至底板，最后传到剪力齿。由此可见，预应力一直是向刚度大的方向传递。另外，通过接触实验分析表明，钢锚靴与梁段的接触状态随作用力的变化而变化，甚至出现了滑移、脱离的现象，表现出很强的边界非线性。
3 体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计
锚固区域受力复杂，边界非线性强，需要对锚固钢筋的钢锚靴进行科学设计，以确保钢锚靴的安全合理性，满足整个锚固区域复杂的受力要求。主要需要对钢锚靴的长度、高度以及安装位置，剪力齿的倾角、几何尺寸以及部署形式，螺纹钢筋预加力的大小和分配进行科学分析，达到对体外临时预应力粗钢筋钢锚靴的优化设计。
3.1钢锚靴的高度
在保证粗钢筋张拉尺寸要求的前提下，为了减少预应力所产生的力矩，将粗钢筋的锚固高度控制的越低越好。得到最合理的锚固高度后，钢锚靴的高度也就随着锚固高度的确定而确定。所以，张拉尺寸的要求是影响锚固高度以及钢锚靴高度的最重要因素。
钢锚靴剪力齿受压竖直投影面，在比较理想的受力情况下，混凝土凹槽受压面的受力和平均应力可以用公式（1）计算。
σ== （1）
在P一定的情况下，高度H和横向长S、齿个数m的乘积决定平均压应力，也就是由受压竖直投影面积来决定的。
mHS≥ （2）
根据公式（2），在P一定情况下，混凝土抗压强度由m、H、S来决定。
一般情况下，剪力齿高H在4cm左右，太大太小都不是很合适，剪力齿多采用小而密的形式进行设置，这样可以使各个剪力齿受力均衡。
3.2钢锚靴的长度
锚固区域的受力情况复杂，不仅受粗钢筋的水平预应力的影响，而且由于粗钢筋存在一定的锚固高度，使得锚固区域还要受到粗钢筋的水平预应力的影响。钢锚靴的长度要由锚固高度和粗钢筋水平应力产生的力矩来决定。通过查阅相关资料及理论分析，可以得知钢锚靴的最小长度需满足承受水平预应力及其产生的力矩所需最小钢锚靴长度，而且要取两者最小值的大者。一般满足承受抵抗力矩所要求的钢锚靴长度要大一些，对钢锚靴优化设计有重要作用。
混凝土剪力齿的抗剪强度也可以通过公式计算获得，可以取近似平均值，只要锚固区混凝土能够满足剪应力（3），就可以按照公式（4）估算剪力齿的最小宽度D，然后根据公式（5）估算抗剪钢锚靴的最小长度L。
τ=≤0.5（τ1+τ2） （3）
D≥ （4）
L=（m-1）D+md+2Hcotθ （5）
M1-M2=T1L1-T2L2=MP （6）
T=T1+T2=Pcotθ （7）
钢锚靴长度需要满足承受水平预应力，以及其受重产生力矩需要钢锚靴长度最小取值范围内的较大的数值。
3.3钢锚靴的安装位置
在悬臂拼装中，根据受力特点，钢锚靴应该在靠近节段的顶端部位安装。钢锚靴距离梁段端点的合适长度为10cm、30cm和50cm。因为钢锚靴距离辆段端部越远，根据力学原理，其拉应力就会越大也越集中。但并不是说距离和拉应力一定成正比，如果太远也不会产生明显的效果。随着钢锚靴安装位置远离，主拉应力大于2.65MPa区域的体积也会发生变化，不仅越来越大，而且其分布也会出现不均匀。钢锚靴距离拉大，约束混凝土就越多，约束作用就势必要加大，体积加大，分布不均也会带来一些不利影响。所以，钢锚靴应该尽量安装在靠近梁端部位，最好是安置在距离梁端顶部约30cm的地方。
3.4剪力齿倾角
剪力齿倾斜角度多大最为合适，这需要综合考虑钢锚靴和螺纹钢筋预加力。通过试验结果可知，剪力齿比较理想的倾斜角度约为63°左右。
剪力齿倾角确定可以用模型参数试验确定，设计三组模型进行比较，其中T可以按照公式（7）Pcotθ计算得到相关数据。从表1、表2可以看出，随着倾斜角度的增大，锚固区混凝土最大拉应力和垫板下混凝土主应力慢慢变小，而倾斜角度越大，最大主应力加大，可最右侧凹槽棱边就越尖，应力集中也更厉害。因此，综合考虑各个模型试验数据情况，确定钢锚靴剪力齿倾斜角度以63°为宜。
表1 剪力齿倾角有限元模型参数
表2 锚固区混凝土拉应力情况
注：B凹槽底部主拉应力大于2.65MPa的最大深度，V为锚固区域主拉应力大于2.65MPa的体积。
3.5螺纹钢筋预压力
螺纹钢筋预加力的大小与垫板下混凝土局部承压和螺纹钢筋自身承载力有关，一般情况下，螺纹钢筋直径取25mm或者32mm，那么，单个螺纹钢筋的设计值为22-63t。所以，螺纹钢筋总设计值要小于锚固区局部压力设计值。在具体设计时，还要注意一点，粗钢筋在应力作用下螺纹钢筋受力会增大，而螺纹钢筋两端受力不均衡，有可能会一端大一端小。
结语：钢锚靴安置合适位置，对悬臂拼装非常重要，钢锚靴与梁段的接触也会表现出很强的边界非线性。在满足粗钢筋张拉尺寸要求的情况下，钢锚靴的粗钢筋锚固位置越低越好。找到最佳剪力齿倾斜角度也非常重要，这些技术参数都反映体外临时预应力钢锚靴粗钢筋的优化设计。
参考文献
[1] 陈夏春，陈德伟.体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计[A].第十九届全国桥梁学术会议论文集（下册）[C]，2010年.
[2] 徐栋，项海帆.体外预应力桥梁的力学性能及其影响因素[J].桥梁建设，1999年03期.
[3] 刘少兵.体外预应力混凝土结构耐久性防护问题体[J].铁道科学与工程学报，2007年04期.
关键词：体外临时预应力；粗钢筋；钢锚靴；传力途径；边界非线性；优化设计
中图分类号：U441.5 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）10-0231-02
前言
现代建筑对施工要求越来越高，日益成熟的预制节段体外预应力技术被越来越多地应用于桥梁建设中。采用预制节段施工方法进行桥梁建设时，当然要涉及临时预应力拼装体系。其中，临时预应力体系中的预应力筋可以采用钢绞线或粗钢筋，其中粗钢筋体系的锚固结构具有构造简单、经济实惠、使用便捷、锚固可靠及不划丝等优点，并且装卸方便，可以重复使用，受到了很多国外建筑工作者的推崇。但目前国内对此方面的研究较少，笔者根据自己多年工作经验及相关资料的查询，对体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计提出了自己的看法，希望对广大的建筑工作者提供帮助。
1 钢锚靴受力理论分析
一般而言，钢锚靴受到螺纹钢筋的预压力及粗钢筋预压力等外力作用。当其合力恰好可以通过钢锚靴剪力齿侧面而垂直传递到混凝土板时，可以理解为最理想的受力状态。建设此时的力全部由钢锚靴剪力齿的侧面传递，并且应力在接触面上均匀分布。当螺纹钢筋的预应力以及粗钢筋预应力平移至钢锚靴的中点，并附加相应的力偶时，为达到理想的受力状态，需要满足合理垂直于剪力齿侧面，并且合理偶距需为零，此时将主力分解为大小相等的三个力分别作用在各剪力齿侧面便能成为理想的受力状态。
2 锚固区域的传力路径及边界非线性分析
当锚固区域受力后，混凝土板受到的作用力先是垂直于凹槽设计向受压侧传递，接着慢慢改变方向向水平方向传递，而距离钢筋锚固段越远的凹槽，设计受力面受到的压力就更大。粗钢筋预应力通过锚垫板经由端板、螺纹钢筋上垫板、加固块、顶板以及侧板传至底板，最后传到剪力齿。由此可见，预应力一直是向刚度大的方向传递。另外，通过接触实验分析表明，钢锚靴与梁段的接触状态随作用力的变化而变化，甚至出现了滑移、脱离的现象，表现出很强的边界非线性。
3 体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计
锚固区域受力复杂，边界非线性强，需要对锚固钢筋的钢锚靴进行科学设计，以确保钢锚靴的安全合理性，满足整个锚固区域复杂的受力要求。主要需要对钢锚靴的长度、高度以及安装位置，剪力齿的倾角、几何尺寸以及部署形式，螺纹钢筋预加力的大小和分配进行科学分析，达到对体外临时预应力粗钢筋钢锚靴的优化设计。
3.1钢锚靴的高度
在保证粗钢筋张拉尺寸要求的前提下，为了减少预应力所产生的力矩，将粗钢筋的锚固高度控制的越低越好。得到最合理的锚固高度后，钢锚靴的高度也就随着锚固高度的确定而确定。所以，张拉尺寸的要求是影响锚固高度以及钢锚靴高度的最重要因素。
钢锚靴剪力齿受压竖直投影面，在比较理想的受力情况下，混凝土凹槽受压面的受力和平均应力可以用公式（1）计算。
σ== （1）
在P一定的情况下，高度H和横向长S、齿个数m的乘积决定平均压应力，也就是由受压竖直投影面积来决定的。
mHS≥ （2）
根据公式（2），在P一定情况下，混凝土抗压强度由m、H、S来决定。
一般情况下，剪力齿高H在4cm左右，太大太小都不是很合适，剪力齿多采用小而密的形式进行设置，这样可以使各个剪力齿受力均衡。
3.2钢锚靴的长度
锚固区域的受力情况复杂，不仅受粗钢筋的水平预应力的影响，而且由于粗钢筋存在一定的锚固高度，使得锚固区域还要受到粗钢筋的水平预应力的影响。钢锚靴的长度要由锚固高度和粗钢筋水平应力产生的力矩来决定。通过查阅相关资料及理论分析，可以得知钢锚靴的最小长度需满足承受水平预应力及其产生的力矩所需最小钢锚靴长度，而且要取两者最小值的大者。一般满足承受抵抗力矩所要求的钢锚靴长度要大一些，对钢锚靴优化设计有重要作用。
混凝土剪力齿的抗剪强度也可以通过公式计算获得，可以取近似平均值，只要锚固区混凝土能够满足剪应力（3），就可以按照公式（4）估算剪力齿的最小宽度D，然后根据公式（5）估算抗剪钢锚靴的最小长度L。
τ=≤0.5（τ1+τ2） （3）
D≥ （4）
L=（m-1）D+md+2Hcotθ （5）
M1-M2=T1L1-T2L2=MP （6）
T=T1+T2=Pcotθ （7）
钢锚靴长度需要满足承受水平预应力，以及其受重产生力矩需要钢锚靴长度最小取值范围内的较大的数值。
3.3钢锚靴的安装位置
在悬臂拼装中，根据受力特点，钢锚靴应该在靠近节段的顶端部位安装。钢锚靴距离梁段端点的合适长度为10cm、30cm和50cm。因为钢锚靴距离辆段端部越远，根据力学原理，其拉应力就会越大也越集中。但并不是说距离和拉应力一定成正比，如果太远也不会产生明显的效果。随着钢锚靴安装位置远离，主拉应力大于2.65MPa区域的体积也会发生变化，不仅越来越大，而且其分布也会出现不均匀。钢锚靴距离拉大，约束混凝土就越多，约束作用就势必要加大，体积加大，分布不均也会带来一些不利影响。所以，钢锚靴应该尽量安装在靠近梁端部位，最好是安置在距离梁端顶部约30cm的地方。
3.4剪力齿倾角
剪力齿倾斜角度多大最为合适，这需要综合考虑钢锚靴和螺纹钢筋预加力。通过试验结果可知，剪力齿比较理想的倾斜角度约为63°左右。
剪力齿倾角确定可以用模型参数试验确定，设计三组模型进行比较，其中T可以按照公式（7）Pcotθ计算得到相关数据。从表1、表2可以看出，随着倾斜角度的增大，锚固区混凝土最大拉应力和垫板下混凝土主应力慢慢变小，而倾斜角度越大，最大主应力加大，可最右侧凹槽棱边就越尖，应力集中也更厉害。因此，综合考虑各个模型试验数据情况，确定钢锚靴剪力齿倾斜角度以63°为宜。
表1 剪力齿倾角有限元模型参数
表2 锚固区混凝土拉应力情况
注：B凹槽底部主拉应力大于2.65MPa的最大深度，V为锚固区域主拉应力大于2.65MPa的体积。
3.5螺纹钢筋预压力
螺纹钢筋预加力的大小与垫板下混凝土局部承压和螺纹钢筋自身承载力有关，一般情况下，螺纹钢筋直径取25mm或者32mm，那么，单个螺纹钢筋的设计值为22-63t。所以，螺纹钢筋总设计值要小于锚固区局部压力设计值。在具体设计时，还要注意一点，粗钢筋在应力作用下螺纹钢筋受力会增大，而螺纹钢筋两端受力不均衡，有可能会一端大一端小。
结语：钢锚靴安置合适位置，对悬臂拼装非常重要，钢锚靴与梁段的接触也会表现出很强的边界非线性。在满足粗钢筋张拉尺寸要求的情况下，钢锚靴的粗钢筋锚固位置越低越好。找到最佳剪力齿倾斜角度也非常重要，这些技术参数都反映体外临时预应力钢锚靴粗钢筋的优化设计。
参考文献
[1] 陈夏春，陈德伟.体外临时预应力粗钢筋钢锚靴优化设计[A].第十九届全国桥梁学术会议论文集（下册）[C]，2010年.
[2] 徐栋，项海帆.体外预应力桥梁的力学性能及其影响因素[J].桥梁建设，1999年03期.
[3] 刘少兵.体外预应力混凝土结构耐久性防护问题体[J].铁道科学与工程学报，2007年04期.