高强度预应力钢绞线用锚板设计及试验研究

2021-09-03陈胜利石龙马林李长乐

铁道建筑 2021年8期

陈胜利石龙马林李长乐

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081；3.浙锚科技股份有限公司，杭州311400

20世纪70年代，我国预应力钢绞线强度等级主要是1 470 MPa级，90年代发展为1 860 MPa级，90年代末至今，1 960 MPa（2 000 MPa）级的钢绞线已研发成型［1］，并应用于公路桥梁领域。1 960 MPa级预应力钢绞线于2003年首次纳入国家标准GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》，并延续纳入2014年该标准的修订版中。目前，该级别钢绞线的生产制造工艺已较为成熟，并在上海嘉浏高速公路新浏河桥、厦门环岛路海军码头-演武路段桥梁、厦门纳潮江公路大桥、天津东南半环海河大桥等公路桥梁项目得到工程应用。我国铁路混凝土桥仍基本使用1 860 MPa级钢绞线及配套锚固体系，与1 860 MPa级钢绞线相比，2 000 MPa级钢绞线具有同样的预张拉力，钢绞线面积可节省6%左右，减少了预应力的钢材用量，具有可观的经济效益。研发高强度预应力锚固体系不仅可以补充完善我国高速铁路桥梁建造技术体系，满足高速铁路工程建设需求，还能推动铁路桥梁技术的发展，对我国高速铁路“走出去”战略具有积极推动作用。国内的锚固体系形式主要采用夹片式群锚，形成了OVM、XM、QM、AM型等系列的锚具［2-3］。目前对夹片式锚具的试验研究和数值模拟主要是基于强度为1 860 MPa及以下等级的钢绞线用配套锚具［4-6］，且不同标准和文献中对锚板强度的设计计算指标并不统一［7-9］。

本文采用有限元计算与试验验证的方法，研制铁路桥梁用2 000 MPa级高强度预应力钢绞线配套的19孔锚具，分析材料本构模型和锚板厚度对计算结果的影响，为同类锚固体系的研发与优化提供依据。

1 锚板设计方案

2 000 MPa级钢绞线用配套锚板材料选用优质45号碳素钢，进行调质热处理后表面硬度不小于20 HRC，且热处理后不得有裂纹。锥孔呈同心圆均布排列，锥孔轴线与锚板轴线平行。考虑与1 860 MPa级锚垫板的适用性，锚板直径取206 mm，拟定锚板厚度为75～85 mm。锥孔上口锥角6.5°，锥孔大端面直径27.00 mm。锥孔下口锥角7.0°，锥孔大端面直径24.42 mm。设计方案见图1。

图1 2 000 MPa级钢绞线用锚板设计方案（单位：mm）

2 有限元分析

建立锚板三维有限元模型对锚板的应力及变形进行分析。19孔锚板为对称结构，为节省计算时间，取1/4模型。高强锥形塞与锚板间建立摩擦接触，摩擦因数取0.2。通过在高强锥形塞上表面施加压力模拟钢绞线与夹片的传力，如图2（a）所示。为模拟锚板底面与锚垫板接触的边界条件，只约束竖向平动自由度，网格尺寸为2 mm，如图2（b）所示。

图2 19孔锚板有限元模型

2.1 材料本构模型

45号钢在1 mm/min的加载速率下，平均抗拉强度为707 MPa，屈服强度为386 MPa，弹性模量为210 GPa，断后伸长率为24.4%［10］。根据GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》的规定，45号钢力学性能指标中屈服强度大于等于355 MPa，抗拉强度大于等于600 MPa，断后伸长率大于等于16%。不同热处理工艺得到的材料性能指标有一定差异，合格产品的实测指标均大于规范指标。考虑本构模型的通用性，依据规范指标对文献［10］中实测应力-应变曲线进行线性变换，分别采用实测应力-应变曲线和线性变换后应力-应变曲线进行有限元计算。45号钢应力-应变曲线见图3。

图3 45号钢应力-应变曲线

2.2 材料本构模型影响分析

有限元分析时采用2.1节中所述的两种本构模型，控制锚板厚度为单一变量，取85 mm，其他结构尺寸参见图1。加载至95%fptk（fptk为钢绞线标准强度）时卸载，计算锚板残余挠度，加载至100%fptk时分析锚板Mises应力。

两种本构模型下锚板底面中心点力-位移曲线见图4。可知，采用实测本构模型和线性变换本构模型计算得到的残余挠度分别为0.065、0.128 mm，相当于D/2 492、D/1 266，D为配套锚垫板上口直径。根据GB/T 14370—2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》规定：锚板强度静载承压试验中，在加载荷载达到95%fptk之后释放荷载，锚板残余挠度不应大于D/600。可见，采用两种本构模型的残余变形均能满足规范限值要求，但采用线性变换本构模型的锚板有更大的安全储备。

图4 两种本构模型下锚板底面中心点力-位移曲线

采用两种本构模型得到加载至100%fptk时锚板von Mises应力云图，见图5。可见，采用实测本构模型和采用线性变换本构模型计算得到的von Mises应力分别503.9、480.5 MPa，均大于45号钢的屈服强度，小于45号钢的抗拉极限强度，最大应力主要分布在锚板支承位置。

图5 加载至100%f ptk时锚板von Mises应力云图（单位：MPa）

综上，由于45号钢材料力学性能指标的实测值均优于规范值，采用线性变换本构模型偏于安全，可供锚板通用设计时非线性有限元计算参考使用。

2.3 锚板厚度影响分析

控制锚板厚度为单一变量，对厚度为75、85 mm的19孔锚板有限元计算结果进行对比分析。锚板面中心处的力-位移曲线如图6所示，加载至100%fptk时锚板von Mises应力如图7所示。可知，75、85 mm厚度锚板对应的残余挠度分别为D/610和D/1 266，均满足GB/T 14370—2015中锚板残余挠度不应大于D/600的规定。75、85 mm厚度的锚板von Mises应力最大值分别为517.8、480.5 MPa，均小于GB/T 699—2015中45号钢的极限强度。因此，建议国铁集团企业标准《铁路预应力钢绞线用夹片式锚具、夹具和连接器》中19孔锚板最小厚度取75 mm。实际设计和生产时考虑产品合格率可按80 mm或85 mm制造加工。

图6 不同厚度锚板底面中心点力-位移曲线

图7 加载至100%f ptk时锚板von Mises应力（单位：MPa）

3 锚板强度试验

为了验证锚板的受力性能，按照图1所示设计方案进行了锚板试制，锚板厚度取85 mm。在试制产品中抽取12件19孔规格锚板进行强度试验。TB/T 3193—2016提出锚板强度静载承压试验中，在加载值达到95%ƒptk（5 054 kN）之后释放荷载，测量锚板残余挠度；在加载值达到1.2倍ƒptk（6 384 kN）时，锚板不应有肉眼可见裂纹或破坏。锚板强度试验装置见图8，锚板强度试验见图9。其中，L为锚板与锚垫板接触宽度。

图8 锚板强度试验装置

图9 锚板强度试验

19孔锚板强度试验结果见表1。可知，加载至95%ƒptk之后释放荷载，锚板残余挠度均小于D/600，满足规范限值要求；y/D的最大值为1/1 482，与理论计算值1/1 266相当。另外，加载至1.2ƒptk时观测到锚板表面未出现裂缝。表明提出的基于实测数据和规范指标线性变换的45号钢强化模型，用于锚板强度及变形的有限元计算结果可靠，该有限元计算方法可用于锚板设计。