橋梁預(yù)制拼裝體外預(yù)應(yīng)力損耗及轉(zhuǎn)向塊功效探討

王會(huì)文

（三亞市道路運(yùn)輸管理處，海南 三亞572000）

0 引 言

隨著橋梁施工標(biāo)準(zhǔn)化和預(yù)制拼裝化趨勢地不斷發(fā)展，一個(gè)時(shí)期以來，節(jié)段箱梁預(yù)制拼裝技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)用越來越多。但節(jié)段箱梁預(yù)制拼裝實(shí)施中一直存在著體外預(yù)應(yīng)力損耗和轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)型式選擇欠缺問題?；隗w外預(yù)應(yīng)力和轉(zhuǎn)向塊工程建設(shè)技術(shù)特點(diǎn)和基本技術(shù)需要，該研究計(jì)算了對接縫壓實(shí)耗損、摩阻耗損和收縮徐變耗損，對塊式、肋式轉(zhuǎn)向塊的功效適用性也進(jìn)行了有限元模擬分析，揭示預(yù)應(yīng)力耗損和兩種轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)型式對工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)以及施工中的結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律，以為同類工程制定相對更高效安全的施工方案提供研究和技術(shù)依據(jù)，并助力實(shí)現(xiàn)高效安全的預(yù)應(yīng)力橋梁建設(shè)施工[1-5]。

1 案例體外預(yù)應(yīng)力和轉(zhuǎn)向塊概述

案例橋梁是5×55 m 連續(xù)梁橋，該橋節(jié)段箱梁選用C55 混凝土，每束選用22φ15.2 型鋼絞線作為體外預(yù)應(yīng)力束，鋼絞線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是fpk=1 860 MPa，張拉控制力取0.65fpk=1 209 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向半徑r=4 m。

1.1 體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

體外預(yù)應(yīng)力體系通常包括：拉索防護(hù)系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、減震裝置、體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊、體外預(yù)應(yīng)力筋等。體外預(yù)應(yīng)力筋由管路及鋼絞線組成，鋼絞線可選用鍍鋅鋼絞線、環(huán)氧涂層鋼絞線、外包PE 管無黏結(jié)鋼絞線和普通鋼絞線等。

體外預(yù)應(yīng)力減震裝置能夠避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。體外預(yù)應(yīng)力錨固塊能夠使預(yù)應(yīng)力通過錨固力開展傳導(dǎo)并擴(kuò)散到橋梁主體。體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊，能夠固定體外束線形，并承受集中力。案例橋梁節(jié)段預(yù)制裝配箱梁體外預(yù)應(yīng)力縱向總計(jì)8 根預(yù)應(yīng)力鋼束，單跨內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼束立面配置如圖1 所示。

圖1 單跨體外預(yù)應(yīng)力配置立面圖

1.2 轉(zhuǎn)向塊概述

轉(zhuǎn)向塊是節(jié)段預(yù)制裝配橋梁中除體外預(yù)應(yīng)力錨固裝置之外唯一聯(lián)系混凝土橋梁的部位。在節(jié)段預(yù)制裝配時(shí)，通過轉(zhuǎn)向塊改變體外預(yù)應(yīng)力鋼束的方向。而且，轉(zhuǎn)向塊能夠固定體外束線形，并且承受復(fù)雜的局部應(yīng)力，配置適當(dāng)轉(zhuǎn)向塊，能夠減小甚至徹底消除二次效應(yīng)。

節(jié)段預(yù)制裝配橋梁的轉(zhuǎn)向塊通常分為三種，即肋式、橫隔板式和塊式。其中案例轉(zhuǎn)向塊樣式是肋式轉(zhuǎn)向塊，構(gòu)造圖通常如圖2 所示。

圖2 肋式轉(zhuǎn)向塊橫截面圖（單位：mm）

肋式轉(zhuǎn)向塊系為承壓型轉(zhuǎn)向塊，主要特點(diǎn)是可以承受較大的預(yù)應(yīng)力鋼束分力，而且可以較好地使預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向力高效地傳向箱梁，受力好，具有抵抗較大水平分力的作用。

2 計(jì)算分析體外預(yù)應(yīng)力損耗

2.1 體外預(yù)應(yīng)力接縫壓實(shí)損耗計(jì)算

節(jié)段預(yù)制裝配橋梁經(jīng)過各個(gè)節(jié)段裝配組合構(gòu)成整體，所以在預(yù)制梁每個(gè)節(jié)段間有對接縫。進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加施時(shí)，對接縫會(huì)被壓實(shí)，使橋梁梁體整體縮短，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損耗；具體損耗原因是先拉張鋼束受到后期張拉鋼束影響，致使接縫被壓實(shí)而引發(fā)預(yù)應(yīng)力損耗。膠接面被壓實(shí)引發(fā)應(yīng)力耗損計(jì)算公式如下：

式中：ΣΔL為每個(gè)對接縫面壓縮值之和，mm；L為拉張端至錨固端間距離，mm；Ep為預(yù)應(yīng)力筋彈塑性模量，MPa。接縫分為濕接縫、膠接縫及干接縫三種。通常狀態(tài)下，濕對接縫通過精心護(hù)養(yǎng)后，大致與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體性能相近；節(jié)段箱梁裝配時(shí)，壓實(shí)情況僅需考慮膠接縫及干接縫兩種情況。因?yàn)榻涌p面匹配預(yù)制時(shí)的結(jié)構(gòu)誤差，使得干接合面裝配存在一定間隙；而使用了環(huán)氧樹脂膠的膠接縫則不會(huì)產(chǎn)生間隙，所以實(shí)際施工時(shí)多選用膠對縫，性價(jià)比較高，案例橋梁采用的即是該施工方法。進(jìn)行接縫面壓縮時(shí)，干對接縫壓縮量ΔL高出膠接縫，見表1。

表1 對接縫面壓縮量

以案例路橋5×55 m 為例，單跨內(nèi)有18 個(gè)膠接面，一聯(lián)內(nèi)總計(jì)94 個(gè)膠接面。鋼絞線Ep=1.95×105MPa，ΔL=1.00 mm，根據(jù)公式（1）能夠發(fā)現(xiàn)：σl1=66.655 MPa，由于是張拉控制力，所以預(yù)應(yīng)力耗損值占張拉控制力的5.513%，因其占比相對比較大，設(shè)計(jì)施工過程中應(yīng)該引發(fā)重視。

2.2 計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力摩阻耗損

通常狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的摩擦耗損主要包括：（1）在曲線段因?yàn)榍€管路及鋼束間產(chǎn)生摩擦所導(dǎo)致的摩擦耗損；（2）進(jìn)行施工時(shí)管路面不平整和管路部位的偏差而導(dǎo)致的摩擦耗損。針對體外預(yù)應(yīng)力來說，計(jì)算中能夠?qū)撌驗(yàn)橥ǖ榔疃l(fā)的摩擦耗損視作零，美國AASHTO 規(guī)范中不考慮鋼束因孔道偏差所引發(fā)的摩擦損耗。所以，體外預(yù)應(yīng)力摩擦損耗的重點(diǎn)是預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向塊部位所受摩擦力之和，如圖3 所示。鋼束摩擦耗損表示式見公式（2）。

圖3 轉(zhuǎn)向塊部位摩擦損耗示意圖

式中：θ 為預(yù)應(yīng)力筋與橋梁軸線之間夾角，rad，能夠通過近似將預(yù)應(yīng)力筋投影在各坐標(biāo)面上所成角度θx和θz進(jìn)行疊加計(jì)算獲得；μ 為摩擦常數(shù)。

θx和θz示意如圖4 所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力筋被投影在坐標(biāo)平面上所成夾角

其中μ 是摩擦常數(shù)，取值見表2。

表2 摩擦常數(shù)μ 取值

鋼絞線施工時(shí)因?yàn)楣苈凡课粩[放精確度不足和轉(zhuǎn)向塊定位存在偏差等要素影響，轉(zhuǎn)向塊部位處無法避免體外預(yù)應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度的施工誤差，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)向塊處體外預(yù)應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角偏差

如圖5 所示，偏轉(zhuǎn)角誤差會(huì)使式（2）的值發(fā)生變化，引入此部分誤差后，式（2）可更正為：

式中：ξ 為轉(zhuǎn)向塊部位處偏轉(zhuǎn)角誤差，rad，依據(jù)美國裝配路橋規(guī)范，ξ 值可取0.04 rad。

以5×55 m 連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο螅瑔慰甾D(zhuǎn)向裝置4 個(gè)，全橋總計(jì)20 個(gè)。并且各個(gè)轉(zhuǎn)向裝置穿插4根體外預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼管穿插無黏結(jié)鋼絞線，所以摩阻常數(shù)μ 取0.09，經(jīng)計(jì)算得一聯(lián)摩擦損耗約為1401.6 MPa，該數(shù)值相對比較大，所以設(shè)計(jì)施工時(shí)一定要考慮。

因?yàn)槟Σ翐p耗相對不穩(wěn)定，所以無法給出具體計(jì)算出方式，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中僅有相應(yīng)摩擦損耗常數(shù)取值區(qū)間，摩擦損耗在不同情況下取值可能不同，所以實(shí)際施工時(shí)推薦采用實(shí)測值，若沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)時(shí)，可以依照本文方法進(jìn)行計(jì)算。

2.3 體外預(yù)應(yīng)力收縮徐變耗損計(jì)算

混凝土收縮徐變的定義是受持續(xù)應(yīng)力影響的混凝土產(chǎn)生同時(shí)間具有相關(guān)性的形變。收縮徐變致使預(yù)應(yīng)力鋼束縮短，同時(shí)結(jié)構(gòu)長度也會(huì)縮短，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損耗。一般來說預(yù)應(yīng)力混凝土梁中，由于混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損耗在總損耗中所占比例相對比較大。有相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該損耗占據(jù)曲線配筋結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力損耗的30%，在直線配筋結(jié)構(gòu)構(gòu)件中該損耗的占比甚至可達(dá)60%。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要重視收縮徐變帶來的影響。

針對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋，因?yàn)榛炷梁弯摻罨ハ囵そY(jié)，所以預(yù)應(yīng)力損耗能夠通過預(yù)應(yīng)力鋼束及混凝土間的形變協(xié)調(diào)關(guān)系獲得；但是體外預(yù)應(yīng)力自成體系，由于不同混凝土互相黏結(jié)，所以不存在形變協(xié)調(diào)關(guān)系，亦無法選用斷面的形變協(xié)調(diào)關(guān)系求解。由于混凝土徐變及收縮引發(fā)預(yù)應(yīng)力損耗決定于兩錨固點(diǎn)間的總形變，可根據(jù)如下表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔL3為是混凝土徐變及收縮引發(fā)兩錨固點(diǎn)間梁總形變，m；Lp為體外預(yù)應(yīng)力筋錨固點(diǎn)間的長度或者黏結(jié)長度，m；Ep為體外預(yù)應(yīng)力筋彈塑性模量，N/mm2。如圖6 所示，由于收縮徐變的影響，早期預(yù)應(yīng)力損耗相對較大，伴隨時(shí)間推移，預(yù)應(yīng)力耗損量逐步降低；并且各單跨內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼束耗損趨勢相對接近，但因?yàn)槠洚a(chǎn)生耗損值相對較大，所以設(shè)計(jì)過程中不可忽視其帶來的影響。

圖6 不同階段對應(yīng)體外預(yù)應(yīng)力筋耗損對照示意圖

3 轉(zhuǎn)向塊有限元分析

3.1 有限元模型的建立

通過ANSYS 有限元軟件的APDL 語言建立實(shí)體模型，探究對象是三個(gè)節(jié)段箱梁的轉(zhuǎn)向塊斷面，長度均為3 m，結(jié)構(gòu)總長度是9 m。定義模型Y 方向是垂向，X 方向是橫向，Z 方向是縱向，建立有限元模型時(shí)選用SOLID95 作為單元。邊界條件選用一邊固結(jié)的方式，另一邊加施10 MPa 壓應(yīng)力并對箱梁底面Y方向自由度進(jìn)行約束。有限元模型如圖7 所示。

圖7 邊界條件圖和有限元模型

彈塑性模量EX取44 GPa，泊松比NUXY取0.167，密度DENS取2.6 t/m。轉(zhuǎn)向塊重點(diǎn)承受體外預(yù)應(yīng)力垂向分力。由于無法避免預(yù)應(yīng)力損耗，鋼束應(yīng)力取0.6fpk較佳。三根鋼束彎起角度為8°，備用鋼束彎起角度為5°。

根據(jù)計(jì)算得出3 根鋼束體外垂向分力是3 437.28×sin8°=478.4 kN，備用鋼束體外垂向分力為299.6 kN。采用預(yù)應(yīng)力通道頂面作為加荷面，根據(jù)計(jì)算可以得出兩類管路均布壓應(yīng)力依次是6.2 MPa 及3.87 MPa。進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)向塊管路單元加荷和模擬

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

該部分對塊式、肋式轉(zhuǎn)向塊開展有限元分析，對比分析案例路橋選用轉(zhuǎn)向塊樣式是否切實(shí)可行。重點(diǎn)分析等同受力情況下塊式、肋式轉(zhuǎn)向塊對應(yīng)應(yīng)力分布，重點(diǎn)對底板與轉(zhuǎn)向塊聯(lián)結(jié)區(qū)域應(yīng)力集中范圍應(yīng)力分布進(jìn)行分析。有限元模型中，切取箱體梁斷面底板與轉(zhuǎn)向塊聯(lián)結(jié)區(qū)域?qū)嶓w單元進(jìn)行觀察，如圖9所示。

圖9 兩種轉(zhuǎn)向塊對應(yīng)應(yīng)力分布圖

如圖9 所示，肋式轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力分布相對均勻，箱體梁底板與轉(zhuǎn)向塊聯(lián)結(jié)區(qū)域應(yīng)力值波動(dòng)范圍是8.5～11.3 MPa；塊式轉(zhuǎn)向塊應(yīng)力分布在箱體梁底板與轉(zhuǎn)向塊聯(lián)結(jié)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值波動(dòng)范圍是15.9～20.2 MPa，相對較大，易致使轉(zhuǎn)向塊拉脫出梁體。據(jù)此能夠分析出肋式轉(zhuǎn)向塊受力優(yōu)于塊式轉(zhuǎn)向塊。

進(jìn)一步分析肋式轉(zhuǎn)向塊，分析重點(diǎn)是轉(zhuǎn)向塊范圍內(nèi)的第一主應(yīng)力和垂向正應(yīng)力，具體如圖10 和圖11 所示。根據(jù)圖10 能夠發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向塊跟底板聯(lián)結(jié)區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，集中力極值是1.99 MPa；在體外預(yù)應(yīng)力通道內(nèi)壁上側(cè)局部范圍出現(xiàn)轉(zhuǎn)向塊主拉應(yīng)力極值，極值是5.32 MPa。并且通道下部主要存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力取值區(qū)域是0.34～1.99 MPa。如圖11 所示，轉(zhuǎn)向通道上部和下部都有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，垂向拉應(yīng)力極值發(fā)生在通道內(nèi)壁上部局部范圍，極值是6.58 MPa，通道下部主要受拉應(yīng)力。

圖10 肋式轉(zhuǎn)向塊局部第一主應(yīng)力

圖11 肋式轉(zhuǎn)向塊局部垂向正應(yīng)力

如圖10 和圖11 所示，通道周圍應(yīng)力分布狀況相對復(fù)雜，且在一定區(qū)域內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)合上述情況可以得出，轉(zhuǎn)向通道周圍分布狀況相對復(fù)雜，且在一定區(qū)域內(nèi)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向通道下部受拉，轉(zhuǎn)向通道上部相對不適合受力。為避免通道周圍混凝土發(fā)生局部開裂并避免轉(zhuǎn)向塊拉脫出梁體，可以在轉(zhuǎn)向孔周圍加設(shè)環(huán)向鋼筋，將其伸入箱梁內(nèi)部，并通過箍筋連接箱梁腹板及轉(zhuǎn)向塊。

4 結(jié) 語

該研究從節(jié)段箱梁體外預(yù)應(yīng)力方面開展了分析研究，重點(diǎn)內(nèi)容包括：

（1）簡述了體外預(yù)應(yīng)力體系的主要構(gòu)造，并結(jié)合案例橋梁對體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和施工加以說明。

（2）以案例橋梁為研究對象，計(jì)算并分析了體外預(yù)應(yīng)力耗損情況。對比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系損耗情況，主要對體外預(yù)應(yīng)力引起的摩阻損耗、體外預(yù)應(yīng)力收縮徐變損耗和接縫壓實(shí)耗損進(jìn)行了分析，得出預(yù)應(yīng)力損耗對施工產(chǎn)生的影響。

（3）通過ANSYS 有限元軟件，針對三個(gè)節(jié)段箱梁部位橋梁轉(zhuǎn)向塊建立有限元模型，并對轉(zhuǎn)向塊開展應(yīng)力分析，得出結(jié)論：肋式轉(zhuǎn)向塊受力穩(wěn)定性的優(yōu)于中塊式轉(zhuǎn)向塊受力；進(jìn)一步分析肋式轉(zhuǎn)向塊，針對轉(zhuǎn)向塊預(yù)應(yīng)力通道部位配筋方案提出了設(shè)想和建議。