基于ANSYS的锚固块配筋方法分析

2010-11-05 05:55龚静敏周叶飞

山西建筑 2010年7期

龚静敏马鹃周叶飞

针对锚固块的配筋方法,近年来有学者与专家做了一些研究。如丁峰研究了体外预应力混凝土桥梁锚固结构分析及配筋;戴亚军进行了体外预应力桥梁锚固结构的受力性能与配筋研究;张星宇进行了预应力锚固区局部承压的研究,这些配筋方案是否是最优方案,应对其进行对比分析。根据现有的研究成果,将如下几种锚固块配筋方法进行对比与分析:1)基于应力法配筋;2)采用拓扑优化及拉压杆模型配筋;3)根据规范配筋。

1 依托工程

本文以湖南省醴潭高速公路第12标白马垄高架桥为背景(见图1),进行体外预应力T梁桥的锚固块应力分析。该桥第三联为体外预应力混凝土连续体系梁桥,左幅桥由三跨40 m,41 m,35 m T梁组成;右幅桥由三跨T梁组成,跨径分别为24 m,41 m,35 m。本文选用白马垄高架桥第三联右幅桥连续体系进行分析,其中24 m,35 m体外预应力T梁分别由锚固块、转向块及主梁组成;41 m体外T梁由两中间转向块、两边端转向块及主梁组成。本文主要分析锚固块。

2 基于应力法配筋

在有限元分析软件ANSYS中,可以直接利用其相关的面操作命令直接得到锚固块内侧各任意截面的拉应力值。将锚固块视作由很多薄片组成,将薄片表面上的最大拉应力作为薄片整体上均匀分布的拉应力,进而求出薄片在各个方向的拉力,利用这个拉力值来计算钢筋量,这是一个用于锚固块配筋设计的好方法。

锚固块内侧受拉钢筋的布置一般分层布置,假设在距锚固块内侧表面10 cm,30 cm,50 cm分别布置有四层钢筋,那么在计算所需钢筋的配置面积时,就可以根据各层钢筋两侧各10 cm的截面上的拉力值来确定钢筋用量。在ANSYS中,可以取得实体单元中任意截面的应力大小及分布情况。在截取截面时,以最大拉应力1 MPa为标准,当截面最大拉应力大于1 MPa,则继续截取截面;小于1 MPa,则不再截取截面。

偏安全的认为各截面上的最大拉应力在该截面所代表的宽度为锚固块宽度、厚度为0.1 m的实体上均匀分布,就可以很方便的得出各层结构在梁截面横向和竖向方向上的拉力,再依据此拉力就可以得出钢筋的配置面积。钢筋应力偏安全的取为150 MPa,钢筋直径取 20 mm,对应单位面积为314 mm2。

采用应力法分析白马垄桥锚固块所需的配筋面积,结果见表1。

竖向和横向钢筋的布置应根据相应有限元计算得到的拉应力分布区域进行布置,钢筋尽可能布置在相应拉应力分布较大的区域,从而充分发挥钢筋承受拉力的工作性能。

对应的配筋模式为:拟定配置可以选配7根直径20 mm的HRB335横向钢筋,沿横桥向水平布置于锚面向内每隔10 cm处,9根直径20 mm的HRB335竖向钢筋,横向间距为10 cm,布置于锚面向内每隔10 cm处。

表1 锚固块的配筋量

3 拓扑优化及拉压杆模型配筋

采用拓扑优化的方法对锚固块进行分析,关于拓扑优化,它确实与传力路径有很大的关系,因为一个部件根据其受力的形式、载荷分布与边界等条件,通过计算,可以扣除应力比较低的部位,反复迭代,最后能体现出一个骨架式的结构,这个结构也就是质量最轻,效率最高的结构,同时还能保证安全。在土木领域,主要就是用拓扑优化得到的传力路径来确定布筋的位置,从而加强结构。

采用拓扑优化的方法对白马垄桥锚固块进行分析。采用Solid95单元模拟,得到锚固块处结构的拓扑优化图,见图2。