大型橋梁體外預應力受力機理研究

王聚厚 呂秀娟 姬同庚 許紅

(1.河南東方建筑設計有限公司;2. 河南建筑職業技術學院;3.河南省桃花峪黃河大橋投資有限公司)

大型橋梁體外預應力受力機理研究

王聚厚1呂秀娟2姬同庚3許紅2

(1.河南東方建筑設計有限公司;2. 河南建筑職業技術學院;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應力的受力機理，從而掌握了體外預應力夾片、鋼絞線、螺旋筋、錨墊板和轉向裝置的受力狀況，對今后類似工程的設計、施工有一定的指導意義。

橋梁;體外預應力;受力機理

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0 引言

近些年來，體外預應力施工技術在現代橋梁建設中得到了較為廣泛的使用。體外預應力鋼絞線束(亦稱體外索)位于結構主體截面之外，主要由與主截面相連的錨固區與轉換區來傳遞預應力。發展可調整、可檢測、可更換的體外預應力體系，是體外預應力橋梁應用和發展的關鍵和基礎[1]。作為預應力體系后張法施工中的的一個重要分支，體外預應力橋梁的設計理論和方法、關鍵部位構造及設計、施工技術等方面迄待更深入的研究[2][3]。

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

1 預應力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的應力損失σs1

應力損失σs1由兩部分組成：一是由于彎曲垂重擠壓造成的摩擦應力損失；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——預應力鋼絞線與管道壁間的摩擦系數；K——每米管道制作和安裝偏差的摩擦影響系數。

預應力鋼絞線若是直線段，可忽略不計第一部分應力損失。即μ=0，式(1)成為:

σs1=σk(1-e-kx)[1]

(2)

鋼絞線若是曲線形狀，可忽略不計第二部分預應力損失。即k=0，式(1)成為：

σs1=σk(1-e-μθ)

(3)

從公式(1)(2)(3)可知，體外預應力鋼絞線由于孔道間摩擦引起的應力損失σs1與σk是非線性關系。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：單根無粘結鋼絞線與管壁摩擦最小(第一部分預應力損失最小)，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鋼絞線之間。因此，在措施得當的前提下，可優先選用無粘結鋼絞線。

圖1 錨板和鋼絞線

圖2 錨固單元模型分析計算

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。由分析結果可以看到：夾片與錨板交接處受力較大，個別區域出現較大拉應力。鋼絞線與錨板交接四周受力相對均勻，從外到內拉應力逐步減弱，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果(圖3)可以看到：

螺旋筋與錨墊板交接處受力較大，個別區域出現較大拉應力。螺旋筋受力上部較小，中間兩根受力最大，下部兩根受力逐漸變小。與之相對應的錨墊板在第二根、第三根、第四根螺旋筋處出現較大拉應力。

圖4 轉向裝置計算結果

圖5 轉向裝置試驗

4 轉向裝置的有限元分析與試驗

體外索(鋼絞線束)轉向裝置是體外預應力結構體系中最重要且最關鍵的構造。因為它是除錨固結構外，在連續梁內唯一與砼有聯系的構件，并能將索體轉換方向。故有必要對轉向裝置進行有限元分析(圖4)與試驗驗證(圖5)。

轉向裝置根據索體穿過的方式主要分為散束式和集束式轉向器兩種。

該工程所采用的轉向器，如圖5所示，此轉向器應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向管連成一體，同時做好防腐。可利用水泥灌漿的方法來分離單根體外索(鋼絞線束)，水泥灌漿凝結后，即可以固定導向管，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，可任意改變導向管的外形來滿足不同的轉向需要。為減小施工造成的角度偏差，在每根導向管兩端應設置一個內孔為喇叭形的誤差補償器。

計算表明：與轉向器位置平行的每根鋼絞線受力相對均勻，轉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)。轉向裝置試驗和計算的結果基本一致。

5 小結

本文分析了某大型橋梁體外預應力受力機理，得出如下結論：

(1)體外預應力鋼絞線由于孔道間摩擦引起的應力損失σs1與σk是非線性關系。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。單根無粘結鋼絞線與管壁摩擦最小(第一部分預應力損失最小)，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鋼絞線之間。因此，在措施得當的前提下，可優先選用無粘結鋼絞線。

(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，個別區域出現較大拉應力。鋼絞線與錨板交接四周受力相對均勻，從外到內拉應力逐步減弱。

(3)螺旋筋與錨墊板受力狀況：其交接處受力較大，個別區域出現較大拉應力。螺旋筋受力上部較小，中間兩根受力最大，下部兩根受力逐漸變小。與之相對應的錨墊板在第二根、第三根、第四根螺旋筋處出現較大拉應力。

(4)轉向裝置試驗和計算的結果基本一致。與轉向器位置平行的每根鋼絞線受力相對均勻，轉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.橋梁體外預應力設計技術[M].人民交通出版社，2008,(10 ).

[2]孫寶俊，周國華.體外預應力結構技術及應用綜述[J].東南大學學報2001.(1).

[3]張耀庭,邱繼生,黃恒衛.體外預應力混凝土梁的研究現狀綜述[J].華中科技大學學報2002,(4 ).

[4]李國平.體外預應力混凝土橋梁設計計算方法[D].同濟大學博士論文.2006.

王聚厚(1964.4- )，男，高級工程師，碩士研究生，一級注冊結構工程師，現從事土木工程結構設計。

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

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

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

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技術研究重點項目(項目編號：13B560969)

王聚厚(1964- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師。

2015-10-16

U445

B

1004-6135(2015)12-0094-03