體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁轉(zhuǎn)向塊的研究進(jìn)展

張文鋒

(重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020)

1 引言

相比傳統(tǒng)的體內(nèi)布筋預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有截面尺寸小、自重輕、預(yù)應(yīng)力筋可更換和維護(hù)、預(yù)應(yīng)力損失小、施工工期短以及耐久性高等優(yōu)點[1]。轉(zhuǎn)向塊是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的一種特殊而重要的關(guān)鍵構(gòu)造，為體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向而設(shè)置，其受力十分復(fù)雜。因此，對轉(zhuǎn)向區(qū)域進(jìn)行理論、試驗和數(shù)值分析研究揭示其受力特點、應(yīng)力分布規(guī)律、傳力路徑以及危險區(qū)域是十分必要的。目前常用的轉(zhuǎn)向塊有四種形式，分為塊式、橫肋式、豎肋式和橫梁式。本文對現(xiàn)有的相關(guān)研究狀況進(jìn)行總結(jié)分析，供后續(xù)研究參考。

2 理論分析方面

吳澤遷[2]對體外預(yù)應(yīng)力橋梁中轉(zhuǎn)向塊對體外預(yù)應(yīng)力筋偏心距二次影響的作用以及體外預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向塊處的磨損情況等進(jìn)行了總結(jié)分析。

單成林[3]基于國外的相關(guān)已成橋經(jīng)驗和一些試驗研究成果，同時結(jié)合我國相關(guān)規(guī)范提出的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，對體外配筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的各種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的特點、受力機理、構(gòu)造、配筋及計算原理進(jìn)行了詳細(xì)論述。

3 試驗研究方面

R.J.Beaupre和J.E.Breen等[4～6]進(jìn)行了10個小比例塊式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的模型，考察箍筋形式、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)形狀等對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)受力性能的影響，通過試驗中鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展模式，分析得出塊式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的受力機理可以通過直接拉伸作用、梁受力模式(針對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)頂部)和剪切作用(針對轉(zhuǎn)向管道間薄弱截面)3種主要的受力模式表示。直接拉伸作用可用于環(huán)形受拉箍筋分析，梁模式可說明轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)上部鋼筋的作用，剪切作用可說明轉(zhuǎn)向管道間沿管道下形成的裂縫面的剪力和傳遞該剪力的剪切鋼筋的作用。在具體設(shè)計時，可以根據(jù)這三種受力模式定出合理的配筋方案。

Kiang-Hwee和Chee-Khoon Ng[7]對6片用體外預(yù)應(yīng)力加固后T形梁進(jìn)行了抗彎性能試驗，討論了轉(zhuǎn)向塊和力筋的面積、有效預(yù)應(yīng)力、偏心距對加固梁抗彎性能的影響。試驗表明：無轉(zhuǎn)向塊的梁由于偏心距的改變而產(chǎn)生的二次效應(yīng)作用將使得梁承載力降低。而偏心距的改變引起的二次效應(yīng)可以通過在梁的跨中設(shè)置轉(zhuǎn)向塊來降低。

王廷臣等[8]對體外預(yù)應(yīng)力橋梁的轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了力學(xué)性能的試驗研究。研究表明：配筋適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向塊能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能。

4 數(shù)值分析方面

宋華茂[9]針對某橋選用的肋板式轉(zhuǎn)向塊作了空間受力分析，獲得了轉(zhuǎn)向塊附近的應(yīng)力分布，結(jié)果表明肋板式轉(zhuǎn)向塊能夠滿足該橋體外預(yù)應(yīng)力的受力要求。

席廣恒[10]利用MIDAS對某試驗橋的轉(zhuǎn)向塊區(qū)域力學(xué)性能進(jìn)行了分析，研究了該關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布、受力特點以及傳力路徑，得出了轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)豎向壓應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力的分布規(guī)律，豎向拉應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)向肋與底板交界的外緣處和轉(zhuǎn)向管道之間的區(qū)域，豎向壓應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)向管道以上部分。為減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以采取加寬轉(zhuǎn)向管道間距的措施。最后對實際工程的設(shè)計和施工提出了一些切實可行的建議。

丁韶峰[11]通過ANSYS對某連續(xù)剛構(gòu)橋加固設(shè)計的邊跨轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了有限元實體分析。計算采用先整體后局部的思路。計算表明：體外索對橋梁縱向應(yīng)力影響最大，應(yīng)力集中位置主要分布在轉(zhuǎn)向塊與底板相交處。加固設(shè)計時應(yīng)該避免轉(zhuǎn)向孔道靠下側(cè)過近同時建議轉(zhuǎn)向塊可以設(shè)計成上小下大的梯形塊形式。

林峰等[12-13]通過ANSYS對一肋式轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了受力特性的有限元分析，對其設(shè)計提出了相關(guān)的建議。從箱梁和轉(zhuǎn)向肋本身構(gòu)造的角度分析了影響肋式轉(zhuǎn)向塊受力的因素，得到了箱梁頂板以及腹板厚度對轉(zhuǎn)向塊受力狀態(tài)的影響很小，箱梁底板與轉(zhuǎn)向肋的厚度對轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力狀態(tài)的影響較大的結(jié)論，建議盡量采用整體加厚的轉(zhuǎn)向塊。

費小申等[14]應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行了肋式轉(zhuǎn)向塊的局部應(yīng)力分析。研究表明：對于肋式轉(zhuǎn)向塊，預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向力主要由孔道上部混凝土的受壓和受剪來抵抗，最大壓應(yīng)力位置在靠近腹板的體外束孔道上緣，而對于孔道下部混凝土，其拉應(yīng)力較小。

Bing Yi[15]對某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了三維有限元分析，根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果并對關(guān)鍵部位的厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

牟曉光等[16]通過ANSYS空間有限元分析，對轉(zhuǎn)向塊關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布和受力特點進(jìn)行研究。建議適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向塊厚度，或增大橫隔板寬度及厚度等，以減小轉(zhuǎn)向塊上產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。

侯海龍等[17]利用ANSYS仿真分析，從體外預(yù)應(yīng)力筋不同轉(zhuǎn)角分析了肋式和塊式轉(zhuǎn)向塊的受力特點。分析結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向塊豎向最大應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)角的增加而增加，調(diào)整轉(zhuǎn)角后可以改善預(yù)應(yīng)力傳遞效率和轉(zhuǎn)向塊的應(yīng)力狀態(tài)。同時也給出了環(huán)向箍筋的設(shè)置建議和不同轉(zhuǎn)向角度的構(gòu)造建議。

肖毅[18]以某座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的體外預(yù)應(yīng)力加固工程為例，運用ANSYS軟件，分別對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了受力分析，通過對比兩類轉(zhuǎn)向塊在體外預(yù)應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力理論計算值，分析了兩類材質(zhì)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向塊的受力特性差異。

宋粉麗[19]以某體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁為例，對單塊空心板的加固進(jìn)行模擬，分析了空心板的承載能力，考慮的因素有轉(zhuǎn)向塊高度和錨固位置。

殷新鋒等[20]應(yīng)用ANSYS分析了橫隔板式轉(zhuǎn)向塊的應(yīng)力傳遞路徑和受力特性，應(yīng)力分布為預(yù)應(yīng)力筋孔道上部受壓和下部受拉，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別發(fā)生在孔道的下緣和上緣處。同時根據(jù)轉(zhuǎn)向塊的受力特性，提出了一些構(gòu)造建議。

胡邦瑜等[21]以某節(jié)段拼裝箱梁轉(zhuǎn)向塊為例，利用ANSYS仿真分析研究了肋式轉(zhuǎn)向塊的底塊和肋板尺寸、孔道轉(zhuǎn)角和半徑等因素對轉(zhuǎn)向塊的性能影響。研究表明：肋式轉(zhuǎn)向塊增大底塊截面，可以有效地減小底部拉應(yīng)力集中問題；肋板厚度和底塊縱向長度對孔道周圍的應(yīng)力狀態(tài)影響較大，肋板寬度和轉(zhuǎn)向塊高度對改善轉(zhuǎn)向塊的受力狀態(tài)沒有明顯效果；為減小孔道口的應(yīng)力峰值，可以通過調(diào)整孔道轉(zhuǎn)角實現(xiàn)。

李王輝等[22]以某橋梁加固工程為背景，利用ANSYS分析完成轉(zhuǎn)向塊B、D 區(qū)設(shè)計，綜合彈性應(yīng)力法等知識確定了D 區(qū)塊對應(yīng)的拉壓桿模型，由平衡條件和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定了桿件的內(nèi)力情況，并針對配筋設(shè)計進(jìn)行驗證，最后簡要提出了設(shè)計建議。

毛錚等[23]結(jié)合工程加固實例，提出了一種鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向體系，該轉(zhuǎn)向體系具有較高的安全儲備，且相比混凝土轉(zhuǎn)向塊能夠大幅降低結(jié)構(gòu)附加自重。

5 理論和試驗結(jié)合方面

陳開利[24]論述了體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁轉(zhuǎn)向塊形式及優(yōu)點，詳細(xì)介紹了美國學(xué)者布里恩博士為弄清轉(zhuǎn)向塊的力學(xué)性能所做的試驗、理論分析以及提出的建議設(shè)計方案和方案舉例分析。

6 理論和數(shù)值分析結(jié)合方面

魏華，徐棟[25-26]運用ANSYS有限元分析，結(jié)合拉壓桿模型方法，對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行詳細(xì)的分析和配筋計算。通過對不同類型結(jié)構(gòu)傳力路徑及應(yīng)力分布情況的分析，總結(jié)了結(jié)構(gòu)的受力特點以及給出了計算方法和拉壓桿配筋計算模型，并提出了相關(guān)的設(shè)計建議。

盧春玲等[27-29]利用ANSYS模型對體外預(yù)應(yīng)力橋梁轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行了應(yīng)力分析，對轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化并給出設(shè)計構(gòu)造建議。具體確定了轉(zhuǎn)向塊配筋設(shè)計的B區(qū)和D區(qū)，運用"彈性應(yīng)力法"建立了轉(zhuǎn)向塊D區(qū)設(shè)計的拉壓桿模型。對配筋后的轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行有限元分析，論證了進(jìn)行轉(zhuǎn)向塊配筋設(shè)計時采用拉壓桿模型法的合理性，最后給出了一些轉(zhuǎn)向塊的配筋設(shè)計建議。

7 試驗和數(shù)值分析結(jié)合方面

王彤[30]對4個近足尺的轉(zhuǎn)向塊試件進(jìn)行了試驗研究和非線性有限元分析。

8 其他方面

肖錫康等[31]介紹了幾種轉(zhuǎn)向塊類型的優(yōu)缺點、轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計原則、轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造建議以及轉(zhuǎn)向塊的合理布置間距和位置等。

熊學(xué)玉等[32]總結(jié)了轉(zhuǎn)向塊的分類和轉(zhuǎn)向塊設(shè)計要點。

顏海等[33]詳細(xì)地介紹了幾種轉(zhuǎn)向塊形式的優(yōu)缺點、轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計原則、轉(zhuǎn)向塊的配筋以及導(dǎo)向管構(gòu)造和轉(zhuǎn)向塊的布置位置等。

黃民元[34]對轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造進(jìn)行了介紹，同時針對轉(zhuǎn)向塊對體外預(yù)應(yīng)力筋偏心距二次效應(yīng)的作用以及轉(zhuǎn)向塊對結(jié)構(gòu)承載能力的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。

閆云友等[35]以某橋轉(zhuǎn)向塊底部位置混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重開裂為案例，分析了產(chǎn)生開裂的原因，并介紹了解決措施。

9 結(jié)語

通過對體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁轉(zhuǎn)向塊的研究進(jìn)展進(jìn)行分類總結(jié)可以看出：①大部分研究是基于某個工程本身的轉(zhuǎn)向塊進(jìn)行研究分析，結(jié)合工程實例并拓展進(jìn)行幾類轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造、配筋等系統(tǒng)的研究較少；②關(guān)于轉(zhuǎn)向塊的試驗研究較少。③對鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向塊的研究較少。

因此，后續(xù)可考慮以下研究方向：①進(jìn)行幾類轉(zhuǎn)向塊受力性能的一系列影響因素的試驗分析，可考慮配筋方式、轉(zhuǎn)向構(gòu)造、轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向半徑等各種因素對轉(zhuǎn)向塊受力的影響；再根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合理論以及參數(shù)化的數(shù)值分析，提出轉(zhuǎn)向塊的計算方法以及構(gòu)造和配筋設(shè)計建議，用于指導(dǎo)工程實踐。②由于鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向塊相比混凝土轉(zhuǎn)向塊能夠降低結(jié)構(gòu)附加自重，可考慮進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向塊方面的理論、試驗和數(shù)值分析研究，研究其構(gòu)造和計算方法等，并提出設(shè)計建議。