箱梁體外預應力轉(zhuǎn)向塊受力分析

侯海龍 駱維斌

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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箱梁體外預應力轉(zhuǎn)向塊受力分析

侯海龍 駱維斌

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

通過空間有限元分析軟件ANSYS仿真分析，從體外預應力筋不同轉(zhuǎn)角分析了肋式和塊式轉(zhuǎn)向塊的受力特點，得到了隨著預應力筋轉(zhuǎn)角的增加，轉(zhuǎn)向塊豎向最大應力增加。根據(jù)模擬分析結(jié)果，對轉(zhuǎn)向塊的設計提出了一些切實可行的建議，研究結(jié)論可供類似結(jié)構參考。

轉(zhuǎn)向塊，體外預應力筋，應力

1 概述

體外預應力橋梁轉(zhuǎn)向塊部位是除了錨固裝置以外，唯一一個預應力筋與橋梁相接觸的部位，它的重要性毋庸置疑。它的作用是傳遞來自體外預應力筋的水平和豎向的力，限制體外束自由長度，調(diào)整體外束偏心距，以完成預應力筋在混凝土體外的轉(zhuǎn)向，適應于箱梁彎矩的變化，因此，體外預應力筋的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角半徑直接影響著轉(zhuǎn)向塊和預應力筋的受力情況。如果設計不合理，這將會造成混凝土塊受力集中和預應力損失。

最常見體外預應力橋梁轉(zhuǎn)向塊主要分為三類：1)橫隔板式；2)肋式或加勁肋式；3)塊式或鞍式。在體外預應力箱梁截面中，這三種形式應用都很廣泛。

橫隔板式和肋式轉(zhuǎn)向塊屬于承壓型，其特點是：從轉(zhuǎn)向管到混凝土翼緣板間的肋板形成受壓柱，主要靠柱體承受體外預應力筋的垂直分力，承載能力大；但體積也較大，增加了恒載重量，混凝土澆筑困難。塊式轉(zhuǎn)向裝置屬于受拉型，其特點是：體積較小，僅需在箱梁的翼緣板根部設置很小的塊式轉(zhuǎn)向裝置，幾乎不會增加結(jié)構恒載，模板構造簡單。塊式轉(zhuǎn)向裝置主要靠環(huán)筋把豎向分力傳遞給梁體，配筋較為復雜，承載力較小，主要應用于小跨徑混凝土箱梁和波形鋼腹板混凝土組合箱梁及舊橋維修。

轉(zhuǎn)向塊部位受力比較復雜，尤其在體外預應力筋轉(zhuǎn)角處，最容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。本文應用有限元分析軟件ANSYS建立常見的肋式和塊式轉(zhuǎn)向塊局部精細模型，分析預應力筋不同轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)向塊的受力特點。

2 轉(zhuǎn)向塊有限元受力分析

2.1 轉(zhuǎn)向塊結(jié)構參數(shù)及有限元模型

表1 豎向分力及管道均布力

使用通用有限元軟件ANSYS對轉(zhuǎn)向塊結(jié)構進行實體建模，實體建模包括轉(zhuǎn)向塊一段箱梁和縱向各延伸4 m的箱梁段，由于箱梁橫截面左右對稱，所以取結(jié)構一半作為研究對象。選用實體單元建立有限元模型，分別對肋式轉(zhuǎn)向塊和塊式轉(zhuǎn)向塊及轉(zhuǎn)向彎鋼管精細建模。考慮箱梁傳遞剪力、軸力、彎矩，在箱梁兩端施加固定約束，箱梁中軸線采用對稱約束，限制一個方向的自由度。

2.2 有限元模型分析結(jié)果

2.2.1 轉(zhuǎn)向塊結(jié)構豎向受力特點

根據(jù)轉(zhuǎn)向塊各應力分量的分布情況，可以分析箱梁轉(zhuǎn)向塊區(qū)域的受力特點。肋式轉(zhuǎn)向塊承受體外預應力筋的作用力傳遞到箱梁底板、箱梁頂板和腹板，上部轉(zhuǎn)向塊結(jié)構形成一個豎向受壓柱，下部則是受拉的；而塊式轉(zhuǎn)向塊基本只承受豎向拉應力作用傳遞到底板，形成一個受拉柱。由于轉(zhuǎn)向塊結(jié)構主要承受力筋的豎向分力作用，豎向分力的分布可以直觀的顯示轉(zhuǎn)向塊結(jié)構的受力特征。

為了能清楚的觀察到轉(zhuǎn)向塊的受力情況，將轉(zhuǎn)向塊和預應力筋鋼管剖分分離出來觀察，如圖2所示。轉(zhuǎn)向塊鋼筋混凝土結(jié)構的豎向最大壓應力出現(xiàn)在孔道的上部，而最大拉應力則出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向塊外側(cè)預應力孔道壁側(cè)下方，孔道口局部出現(xiàn)應力集中，塊式轉(zhuǎn)向塊尤為明顯，因此孔道口是防止混凝土開裂的重要部位。轉(zhuǎn)向器最大壓應力依然在鋼管最上方，但最大拉應力出現(xiàn)在鋼管下方。

2.2.2 體外預應力筋不同轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)向塊豎向受力的影響

如圖3a)所示，在相同預應力條件下，塊式轉(zhuǎn)向塊豎向最大拉應力最大，肋式轉(zhuǎn)向塊豎向最大拉應力最小。肋式轉(zhuǎn)向塊鋼筋混凝土結(jié)構豎向壓應力大于豎向拉應力，而塊式轉(zhuǎn)向塊豎向最大拉應力大于最大壓應力，隨著轉(zhuǎn)角角度的增大，豎向應力也隨著增加，孔道內(nèi)應力集中部位增多。當肋式轉(zhuǎn)角為5°、塊式轉(zhuǎn)角為3°時，豎向最大拉應力超過了混凝土抗拉強度設計值(1.89 MPa)，這樣鋼管道外面環(huán)向箍筋設置要求相對應也隨之提高，以保證鋼管與轉(zhuǎn)向塊的整體性，使之豎向拉應力有效的傳遞到箱梁底板。建議設置環(huán)向箍筋并伸入梁體里，用箍筋連接轉(zhuǎn)向塊混凝土結(jié)構和鋼管、轉(zhuǎn)向塊和梁底板。舊橋維修同樣適用，首先在箱梁底板受拉區(qū)用鋼筋探測器探測鋼束的位置，以避免鉆孔時損壞梁的預應力鋼束；其次用電錘鉆鉆孔、清孔，注入植筋膠，并種植門式鋼筋及直筋；最后骨架形成后，按照轉(zhuǎn)向塊形狀立模，澆筑混凝土。

如圖3b)所示，肋式和塊式轉(zhuǎn)向塊轉(zhuǎn)向器豎向最大拉應力大于豎向壓應力，塊式豎向最大拉應力大于肋式拉應力，而塊式豎向最大壓應力略小于肋式壓應力。隨著預應力筋的轉(zhuǎn)角增加豎向應力值也隨之增加，拉應力增加幅度大于壓應力增加幅度，當預應力筋轉(zhuǎn)角為10°時，塊式豎向最大拉應力(41.7 MPa)是豎向最大壓應力(8.38 MPa)的5倍，肋式(27.1 MPa～9.37 MPa)也達到了3倍左右。最大壓應力始終位于鋼管上方，而豎向最大拉應力隨著預應力筋轉(zhuǎn)角增加由管道側(cè)下方向管道側(cè)面移動。

2.2.3 體外預應力筋不同轉(zhuǎn)角對塊式轉(zhuǎn)向塊橫向受力的影響

塊式轉(zhuǎn)向塊體積比較小，所以它對箱梁恒載的影響也很小，主要用于小跨徑混凝土箱梁和波形鋼腹板混凝土組合箱梁及舊橋維修。在張拉預應力后，它的上表面就會產(chǎn)生水平橫向拉力，這個水平橫向拉力的大小直接影響轉(zhuǎn)向塊上表面是否開裂。如圖4所示，當預應力筋的轉(zhuǎn)角不小于4°時，轉(zhuǎn)向塊水平橫向拉應力大于混凝土抗拉強度設計值，這樣導致轉(zhuǎn)向塊上部開裂，影響轉(zhuǎn)向塊的整體受力。增加轉(zhuǎn)向塊的高度可以減小轉(zhuǎn)向塊上部的拉應力，通過建模分析得到了不同轉(zhuǎn)角(θ≥4°)需要增加轉(zhuǎn)向塊的高度，如表2所示，明顯的可以看出，當預應力筋轉(zhuǎn)角為10°時，轉(zhuǎn)向塊增加高度的幅度突然增大，但當增加高度達到27.5 cm時，再增加預應力筋轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)向塊上部水平橫向拉應力影響變小。但是增加轉(zhuǎn)向塊的高度，也就意味著增加了轉(zhuǎn)向塊的體積，這樣如果增加的高度太大，將增加箱梁的自重，就失去了塊式轉(zhuǎn)向塊體小質(zhì)輕的特點。

表2 塊式轉(zhuǎn)向塊不同預應力筋轉(zhuǎn)角需增加的高度及上部最大拉應力

建議如果預應力筋轉(zhuǎn)角不大于9°時，相應增加轉(zhuǎn)向塊的高度；如果轉(zhuǎn)角大于9°時，則選擇鋼制塊式轉(zhuǎn)向裝置，鋼制轉(zhuǎn)向塊也是采用環(huán)向箍筋與底板縱筋相連的方式連接。雖然當增加高度達到27.5 cm，轉(zhuǎn)向塊上部橫向拉應力趨于穩(wěn)定，但這時增加的體積已是最初轉(zhuǎn)向塊的80%左右、總高度已達箱梁內(nèi)部凈高的一半，所以不宜選用這種塊式轉(zhuǎn)向塊。

3 結(jié)語

調(diào)整體外預應力筋的轉(zhuǎn)角，可以改善預應力傳遞效率和轉(zhuǎn)向塊的應力狀態(tài)，也可以影響塊式轉(zhuǎn)向塊的高度，根據(jù)以上分析，可以得到以下結(jié)論：

1)轉(zhuǎn)向塊孔道上部主要受壓、下部受拉，抵抗預應力轉(zhuǎn)向力的作用效應，最大豎向壓應力在孔道上部，最大拉應力在轉(zhuǎn)向塊外側(cè)預應力孔道壁側(cè)下方。建議設置環(huán)向箍筋并伸入梁體里，用箍筋連接轉(zhuǎn)向塊混凝土結(jié)構和鋼管、轉(zhuǎn)向塊和梁底板，以保證應力有效的傳遞。

2)塊式轉(zhuǎn)向塊混凝土結(jié)構豎向最大拉應力大于肋式轉(zhuǎn)向塊最大拉應力，而肋式轉(zhuǎn)向塊豎向最大壓應力大于塊式豎向最大壓應力，進一步證明了塊式轉(zhuǎn)向塊是受拉型、肋式轉(zhuǎn)向塊是承壓型。隨著預應力筋轉(zhuǎn)角的增加，預應力筋預應力的效率也隨著增加，但轉(zhuǎn)向塊混凝土結(jié)構和鋼管的豎向最大應力也隨之增加和應力集中部位也在增加。

3)塊式轉(zhuǎn)向塊隨著預應力筋的轉(zhuǎn)角的增加，轉(zhuǎn)向塊的上部水平橫向拉應力也在增加，當轉(zhuǎn)向角不小于4°時，拉應力超過混凝土設計抗拉強度發(fā)生開裂。建議轉(zhuǎn)向角不大于9°時，選用增加轉(zhuǎn)向塊高度；轉(zhuǎn)向角大于9°時，改用鋼制塊式轉(zhuǎn)向塊。

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The force analysis of deviators of externally prestressed box girder

Hou Hailong Luo Weibin

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

This paper introduces the stress characteristics of rib-type and block-type deviators form the simulation analysis whose external prestressed tendons were designed at different angles, using three-dimensional finite element analysis software ANSYS, the results show that the vertical maximum stress of the deviator increases along with the increase of tendon angles. According to the results of simulation analysis, this paper puts forward some feasible suggestions to the deviator design, and the conclusion of the study can be used for references for similar structures.

deviator, external prestressed tendons, stress

1009-6825(2015)18-0166-03

2015-04-15

侯海龍(1986- )，男，在讀碩士； 駱維斌(1990- )，男，在讀碩士

U441.5

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