大型橋梁體外預(yù)應(yīng)力受力機(jī)理研究

王聚厚 呂秀娟 姬同庚 許紅

(1.河南東方建筑設(shè)計(jì)有限公司;2. 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院;3.河南省桃花峪黃河大橋投資有限公司)

大型橋梁體外預(yù)應(yīng)力受力機(jī)理研究

王聚厚1呂秀娟2姬同庚3許紅2

(1.河南東方建筑設(shè)計(jì)有限公司;2. 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院;3.河南省桃花峪黃河大橋投資有限公司)

本文用有限元方法分析了某大型橋梁體外預(yù)應(yīng)力的受力機(jī)理，從而掌握了體外預(yù)應(yīng)力夾片、鋼絞線、螺旋筋、錨墊板和轉(zhuǎn)向裝置的受力狀況，對(duì)今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工有一定的指導(dǎo)意義。

橋梁;體外預(yù)應(yīng)力;受力機(jī)理

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0 引言

近些年來，體外預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中得到了較為廣泛的使用。體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線束(亦稱體外索)位于結(jié)構(gòu)主體截面之外，主要由與主截面相連的錨固區(qū)與轉(zhuǎn)換區(qū)來傳遞預(yù)應(yīng)力。發(fā)展可調(diào)整、可檢測(cè)、可更換的體外預(yù)應(yīng)力體系，是體外預(yù)應(yīng)力橋梁應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)[1]。作為預(yù)應(yīng)力體系后張法施工中的的一個(gè)重要分支，體外預(yù)應(yīng)力橋梁的設(shè)計(jì)理論和方法、關(guān)鍵部位構(gòu)造及設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等方面迄待更深入的研究[2][3]。

下面以某大型橋梁為例，分析橋梁的預(yù)應(yīng)力損失、錨固單元的受力分析及荷載傳遞試驗(yàn)。

1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的應(yīng)力損失σs1

應(yīng)力損失σs1由兩部分組成：一是由于彎曲垂重?cái)D壓造成的摩擦應(yīng)力損失；二是管道制作和安裝偏差造成的摩擦損失。如式(1)所示：

σs1=σk[1-e-(μθ+kx)][1,4]

(1)

其中：μ——預(yù)應(yīng)力鋼絞線與管道壁間的摩擦系數(shù)；K——每米管道制作和安裝偏差的摩擦影響系數(shù)。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線若是直線段，可忽略不計(jì)第一部分應(yīng)力損失。即μ=0，式(1)成為:

σs1=σk(1-e-kx)[1]

(2)

鋼絞線若是曲線形狀，可忽略不計(jì)第二部分預(yù)應(yīng)力損失。即k=0，式(1)成為：

σs1=σk(1-e-μθ)

(3)

從公式(1)(2)(3)可知，體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線由于孔道間摩擦引起的應(yīng)力損失σs1與σk是非線性關(guān)系。鋼絞線和管道表面越光滑、摩擦損失越小。鋼絞線制作安裝的誤差越小，摩擦損失越小。

表1 μ值的取值

由表1可知：?jiǎn)胃鶡o粘結(jié)鋼絞線與管壁摩擦最小(第一部分預(yù)應(yīng)力損失最小)，HDPE管道引起的摩擦損失介于光面鋼絞線，鋼管道和單根無粘結(jié)鋼絞線之間。因此，在措施得當(dāng)?shù)那疤嵯?，可?yōu)先選用無粘結(jié)鋼絞線。

圖1 錨板和鋼絞線

圖2 錨固單元模型分析計(jì)算

圖3 錨墊板及螺旋筋受力分析

2 錨固單元模型的有限元分析

用有限元理論，通過錨固單元模型分析計(jì)算夾片、錨板和鋼絞線的受力狀況和配合情況如圖1所示。由分析結(jié)果可以看到：夾片與錨板交接處受力較大，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。鋼絞線與錨板交接四周受力相對(duì)均勻，從外到內(nèi)拉應(yīng)力逐步減弱，如圖2所示。

3 錨墊板及螺旋筋的有限元分析

通過錨墊板及螺旋筋受力分析結(jié)果(圖3)可以看到：

螺旋筋與錨墊板交接處受力較大，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。螺旋筋受力上部較小，中間兩根受力最大，下部?jī)筛芰χ饾u變小。與之相對(duì)應(yīng)的錨墊板在第二根、第三根、第四根螺旋筋處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。

圖4 轉(zhuǎn)向裝置計(jì)算結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)向裝置試驗(yàn)

4 轉(zhuǎn)向裝置的有限元分析與試驗(yàn)

體外索(鋼絞線束)轉(zhuǎn)向裝置是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系中最重要且最關(guān)鍵的構(gòu)造。因?yàn)樗浅^固結(jié)構(gòu)外，在連續(xù)梁內(nèi)唯一與砼有聯(lián)系的構(gòu)件，并能將索體轉(zhuǎn)換方向。故有必要對(duì)轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行有限元分析(圖4)與試驗(yàn)驗(yàn)證(圖5)。

轉(zhuǎn)向裝置根據(jù)索體穿過的方式主要分為散束式和集束式轉(zhuǎn)向器兩種。

該工程所采用的轉(zhuǎn)向器，如圖5所示，此轉(zhuǎn)向器應(yīng)能確保鋼絞線互相平行、保證鋼絞線受力均勻，減少和鋼絞線間的摩擦，并能單根換索；并且可通過連接板將各導(dǎo)向管連成一體，同時(shí)做好防腐?？衫盟喙酀{的方法來分離單根體外索(鋼絞線束)，水泥灌漿凝結(jié)后，即可以固定導(dǎo)向管，又可以承受張拉造成的鋼絞線相互擠壓。在水平和垂直方向，可任意改變導(dǎo)向管的外形來滿足不同的轉(zhuǎn)向需要。為減小施工造成的角度偏差，在每根導(dǎo)向管兩端應(yīng)設(shè)置一個(gè)內(nèi)孔為喇叭形的誤差補(bǔ)償器。

計(jì)算表明：與轉(zhuǎn)向器位置平行的每根鋼絞線受力相對(duì)均勻，轉(zhuǎn)向器接近中間部分受較大的壓力，然后，逐漸分層遞減變成拉力(圖6)。轉(zhuǎn)向裝置試驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果基本一致。

5 小結(jié)

本文分析了某大型橋梁體外預(yù)應(yīng)力受力機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線由于孔道間摩擦引起的應(yīng)力損失σs1與σk是非線性關(guān)系。鋼絞線和管道表面越光滑、摩擦損失越小。鋼絞線制作安裝的誤差越小，摩擦損失越小。單根無粘結(jié)鋼絞線與管壁摩擦最小(第一部分預(yù)應(yīng)力損失最小)，HDPE管道引起的摩擦損失介于光面鋼絞線，鋼管道和單根無粘結(jié)鋼絞線之間。因此，在措施得當(dāng)?shù)那疤嵯拢蓛?yōu)先選用無粘結(jié)鋼絞線。

(2)夾片、錨板和鋼絞線的受力狀況：夾片與錨板交接處受力較大，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。鋼絞線與錨板交接四周受力相對(duì)均勻，從外到內(nèi)拉應(yīng)力逐步減弱。

(3)螺旋筋與錨墊板受力狀況：其交接處受力較大，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。螺旋筋受力上部較小，中間兩根受力最大，下部?jī)筛芰χ饾u變小。與之相對(duì)應(yīng)的錨墊板在第二根、第三根、第四根螺旋筋處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。

(4)轉(zhuǎn)向裝置試驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果基本一致。與轉(zhuǎn)向器位置平行的每根鋼絞線受力相對(duì)均勻，轉(zhuǎn)向器接近中間部分受較大的壓力，然后，逐漸分層遞減變成拉力。

[1]徐棟.橋梁體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)技術(shù)[M].人民交通出版社，2008,(10 ).

[2]孫寶俊，周國(guó)華.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)2001.(1).

[3]張耀庭,邱繼生,黃恒衛(wèi).體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究現(xiàn)狀綜述[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)2002,(4 ).

[4]李國(guó)平.體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算方法[D].同濟(jì)大學(xué)博士論文.2006.

王聚厚(1964.4- )，男，高級(jí)工程師，碩士研究生，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，現(xiàn)從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

呂秀娟(1973.11- )，女，高級(jí)講師，碩士研究生，現(xiàn)從事土木建筑工程施工教學(xué)。

姬同庚(1966.3- )，男，教授級(jí)高工，博士研究生，現(xiàn)從事交通運(yùn)輸工程道路工程施工管理。

許 紅(1968.3- ),女，高級(jí)講師，碩士研究生，現(xiàn)從事土木建筑工程施工教學(xué)。

Study on force mechanism of a large bridge in external prestressing stage

WANGJuhou1LVXiujuan2JITonggeng3XUHong2

(1.Henan Oriental Architectural Design Co., Ltd.;2.Henan Oriental Architectural Design Co., Ltd.;3.Henan's taohuayu Yellow River Bridge Investment Co. Ltd.)

This paper analyzes force mechanism of a large bridge during external prestressing stage in the finite element method，capture the force status of clips, strand, spiral ribs, the anchor plate and steering test.It would have good reference for similar projects in the stage of design and construction.

Bridge;External prestress;Force mechanism

2013年度河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：13B560969)

王聚厚(1964- )，男，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

2015-10-16

U445

B

1004-6135(2015)12-0094-03