曹钟元

摘要：推广高强钢筋在工程建设中的应用，能够有效提升钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的安全性、经济性、灵活性和适用性，符合国家节能减排的基本国策，有助于实现建筑业节能降耗、绿色环保的发展目标，但我国现行《混凝土结构设计规范》对500MPa级以上钢筋在混凝土结构中的应用尚未做出規定，这使得其在使用时缺乏设计、施工依据，极大地阻碍了高强钢筋在工程建设中的推广。基于此，本文以某输油管道工程高压、大口径锚固法兰设计为例，通过有限元对比分析对锚固法兰结构进行设计优化。

关键词：垃圾填埋场;衬垫层;锚固结构;模型试验;锚固能力

引言

锚固法兰是大口径、高内压、远程输气（油）管道系统中的一种关键部件，焊装于输气（油）主管道上，并用水泥墩固定，半埋或全埋于地下，多设置在管道的入土端和出口端，用以防止由自重、内压、温差、管道走向与方位变化等综合作用力引起的管线过量位移，起到固定管道、约束管道轴向位移、保护站内地面管道和设备等作用。

1垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构的设计

项目设计的垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构如图1所示，主要构件包括基锚固块、辅锚固块、栓杆、限位桩等，均由钢筋混凝土材料预制而成。限位桩通过预留限位桩孔插入至垃圾填埋场边坡坡顶或中间平台下部地基中。基锚固块和辅锚固块均设有榫头、卯槽和半圆形凹槽，榫头、卯槽和半圆形凹槽的半径考虑衬垫层厚度并与之相匹配。由土工膜和设置在土工膜两侧的土工布构成的垃圾填埋场衬垫层从基锚固块和辅锚固块间穿过，通过栓杆将基锚固块和辅锚固块固定，使两者通过挤压作用夹紧衬垫层。最终，衬垫层通过基锚固块和辅锚固块的自重以及限位桩的限位作用被固定在填埋场边坡地基上，限位桩预制长度考虑实际工程地基土质条件，根据单桩水平承载力计算确定。设计的填埋场衬垫层榫卯式锚固结构可采用工厂化预制，现场装配式施工。部件进行标准化制作可替代传统混凝土灌注固定方法，提高工作效率、缩短工期，从而解决工期长、维修加固困难等问题，在固定衬垫层的同时，可保持衬垫层的完整性，避免引起渗漏。

2试件设计

为了获取钢筋沿锚固区段的应力、应变分布情况，制作梁式试件前，先将用于试验的钢筋沿长度方向剖为两半，并在钢筋内部加工凹槽，钢筋内部凹槽截面尺寸为4mm（宽）×2mm（高）。根据锚固长度（5d、7d、10d）分别在钢筋凹槽内部交叉布置（5个、7个、10个）应变片，最后采用环氧树脂胶灌满凹槽将钢筋合拢粘结，并在非锚固区段点焊加强。梁式试件参考制作，试件尺寸为150mm（宽）×240mm（高）×1260mm（长），混凝土梁内未粘结钢筋通过PVC套筒隔离。以混凝土强度、钢筋直径和锚固长度为参数。

3榫卯式锚固结构加载试验

3.1试验装置与加载制度

采用具有自主研发的载装置，可实现多筋植筋的拉拔试验，采用500kN液压千斤顶和500kN荷载传感器加载。加载制度如下所述。（1）预加载：为了保证多筋植筋的每根植筋的受力均匀，在正式开始试验前，施加预估峰值荷载2%的荷载，利用每根植筋上粘贴的应变片，判断植筋是否均匀受力。若每根植筋的应变相同或相近，可以认为植筋均匀受力，否则应通过植筋上的预应力螺母进行调整，直至满足要求为止。（2）正式加载：峰值荷载前采用荷载控制加载，荷载增量ΔP约为预估峰值荷载的2%;峰值荷载后改为位移控制加载，通过控制液压千斤顶的加载杆数，基本保证每次加载位移相同，直至拉拔试验结束。

3.2试验加载过程

锚固块对衬垫层的压力及摩擦力是决定锚固作用能否达到的关键，所以，试验过程中重点关注衬垫层承受的拉力和被拉出的程度。试验步骤如下：（1）调整拉力机拉杆伸出距离，以拉紧衬垫层，采集系统位移试验力清零，在衬垫层试样上标记控制点，作为衬垫层拔出长度的测点;（2）开启电动伺服缸开始加载，以5mm/min的速度拖拽衬垫层施加拉力，采集系统自动记录拉力与拖拽距离数据;（3）试验过程中，观察锚固结构位置变化情况，记录主要标志点变位值;（4）考虑到加载设备安全，当拉力达到峰值或5kN时停止加载，测量衬垫层从锚固结构内的拔出量。

3.3测试内容和测量方法

拉拔荷载值：采用500kN液压千斤顶及配套的载荷仪（WH-1000型）测读，在试验前应对液压千斤顶和载荷仪配套标定;（2）植筋钢筋应变：在每根植筋钢筋上均黏贴应变片，用作试件对中及测量拉拔加载过程中植筋应变的变化规律;（3）混凝土基体表面位移：在植筋两侧对称布置两个位移计①测读混凝土基体表面位移;（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，对称布置两个位移计②测读植筋的位移;（5）植筋端部的位移：在每个植筋的端部布置1个位移计③，测读植筋端部位移;（6）加载板顶部的位移：在加载板的顶部对称布置两个位移计④，测读加载板的位移。所有应变片及位移计均通过DN3821型号静态电阻应变仪采集仪采集。

4试验结果分析

4.1粘结-滑移特性

T63高强钢筋与HRB400钢筋表现出较为一致的粘结滑移特性，两类钢筋的粘结-滑移曲线变化规律基本一致，随着荷载增加依次经历了弹性段、滑移段、内裂段、下降段及稳定段。弹性阶段，钢筋与混凝土间未产生明显相对滑移，粘结力主要由两者间的胶结力提供，曲线斜率接近无穷大;滑移段，钢筋产生滑动，横肋间混凝土受到挤压产生变形，粘结力主要由机械咬合力和摩擦力提供，曲线斜率基本稳定;内裂段，钢筋横肋间混凝土压溃，混凝土内部产生沿横肋方向的径向裂缝，钢筋滑移量增大，曲线斜率下降，直至达到峰值荷载;下降段，峰值荷载后，混凝土内部径向裂缝逐渐延伸至表面，粘结应力迅速降低;稳定段，粘结应力下降至峰值应力60%左右时，应力基本保持稳定，滑移量持续增长，此时试件已完全破坏，粘结力仅由钢筋与混凝土间的摩擦力提供。

4.2锚固力出现震荡阶段（1300N以上）

此阶段衬垫层与基锚固块、辅锚固块与栓杆间出现微小滑移，基锚固块下部混凝土出现裂缝，基锚固块与辅锚固块间距离局部增大，锚固力出现震荡现象并最终达到峰值。考虑锚固结构模型厚度，试验中锚固结构平稳受力阶段所能达到的锚固力（约6.5kN/m）已超过一般工程所需的大小（0.8～3.0kN/m），此时土工膜应力为4.3MPa，远小于其抗拉强度，说明项目设计的榫卯式锚固结构具有足够的锚固能力，能够满足工程需要，设计所考虑的固定机理充分发挥了作用。

结束语

综上所述，无垫片法兰计算模型对锚固法兰结构尺寸的初步尺寸确定是合理的，ANSYS数值模拟分析确定了锚固法兰的颈部为应力集中部位。采用法兰颈部两级平滑过渡的方法，可以有效地消除应力集中。

参考文献

张鹏，王建华，陈锦剑.圾填埋场边坡上土工膜的拉力与位移分析[J].岩土力学，2019（5）：789-792.

常远，李明飞，方瑞东，等.卫生填埋场衬垫层覆土式锚固槽锚固能力研究[J].重庆建筑，2019（10）：42-44.

孙洪军，赵丽红，魏巍.城市垃圾填埋场中土工膜锚固设计的研究[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2019（6）：368-370.

张文华，许四法，马成畅.垃圾场止水材料固定方法的实验研究[J].新型建筑材料，2019（7）：41-43.

[5]张鹏程.中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.