節段預制箱梁體外預應力轉向塊受力性能分析

胡邦瑜，孫林，吳文杰

（重慶市市政設計研究院，重慶 400020）

0 引言

轉向塊是體外預應力橋梁中的一種特殊構造，承擔著預應力索轉向的重要任務，能夠傳遞體外束的水平荷載和豎向荷載。隨著節段預制拼裝橋梁的應用愈來愈普遍，全體外預應力發展逐漸完善，結構體系愈加多樣與復雜，現有相關設計規范有一定限制[1]。因此，全體外束節段預制結構的受力性能以及轉向塊的局部受力特點值得繼續研究。王廷臣、閆新勇等[2]進行了體外預應力橋梁轉向塊力學性能試驗，得出適量配筋的轉向塊在使用時能夠充分發揮機能、在極限狀態下也有足夠的安全度等結論。殷新鋒、王成煜等[3]對一橫隔板式轉向塊進行仿真分析，揭示了轉向塊的應力傳遞路線和受力特性。黃民元等[4]研究了轉向塊對體外預應力筋偏心距二次效應的作用及轉向塊對體外預應力結構承載能力的影響。林峰、吳文清[5]等通過空間有限元仿真模擬，得到了箱梁底板厚度與轉向肋的厚度是影響其應力狀態的主要因素的結論。盧春玲、李傳習等[6]對重慶某體外預應力箱梁橋轉向塊利用拉壓桿模型法進行配筋設計，給出了體外預應力箱梁橋轉向塊相應的配筋設計建議。閆云友，李華萍等[7]以巴拿馬大西洋橋西側箱梁內轉向塊底部位置的混凝土出現嚴重開裂為案例，分析了轉向塊結構開裂所產生的原因并介紹施工現場采取的解決措施。而對于組合式的轉向塊，幾何不規則，底塊和肋板尺寸、孔道轉角和半徑等因素都會對轉向塊的性能有所影響，為探究復雜異形結構的受力情況和局部尺寸的影響，本文進行有限元模擬分析，揭示該類型轉向塊在節段預制結構中的受力特性。

1 模型簡介

重慶華巖隧道西延伸段項目橋梁節段預制箱梁典型跨徑為30m，體外預應力體系中采用底部加強的肋式轉向塊，該型轉向塊能夠承受較大的預應力索分力，具有較好的受力保障，不足之處是增加了恒載重量。本文使用通用有限元軟件ANSYS對包含轉向塊及肋板的箱梁段結構進行實體建模，結構尺寸規格如圖1所示。

圖1 轉向塊處梁段基本尺寸

箱梁轉向塊節段長為2.5m，其中對轉向塊底塊和預應力鋼套筒進行精細建模。肋板厚0.35m，下部底塊高0.4m，縱向長1m，孔道半徑101.5mm，鋼套筒孔道壁厚5mm，取箱梁的一半為建模對象。為貼近真實受力情況，在箱梁兩端施加固定約束，截面中軸邊界條件采用對稱約束。在ANSYS建模過程中采用solid45單元模擬梁段混凝土，彈性模量E=36GPa，泊松比u=0.2，鋼套筒彈性模量E=210GPa，泊松比取為u=0.28，不考慮結構的重力，有限元模型如圖2所示。

圖2 梁段有限元模型

采用等效荷載的方法模擬體外預應力筋對轉向塊的受力作用，將此豎向力用均布面荷載等效替代，作用在體外預應力管道的上管道壁。由于預應力筋與管道的摩擦會造成一定程度的預應力損失，計算時考慮有效預應力折減系數取0.6，計算簡化為轉向塊兩側預應力和張拉力相同，由于 ANSYS面荷載功能只能施加垂直于孔道表面的壓力荷載，若加載面取孔道上半圓，簡單計算可得所需施加的豎向荷載為

式中：σp為鋼束張拉荷載1302MPa；θ為孔道轉角度數；u為有效預應力折減系數；n為鋼束根數，A為單筋面積140mm2，根據公式1計算出N1—N4孔道面上的豎向荷載如表1所示。

表1 孔道豎向荷載表

2 有限元計算分析

體外預應力鋼束穿過轉向塊孔道，使得上部肋板結構形成一個豎向受壓結構，而孔道下部則是受拉的，導致底塊區域內受力集中，應力分布情況復雜[8]。根據計算結果，也可得出轉向塊的受力特點。本文提取兩橫向截面做分析與對比，距轉向塊中心0.46m處橫向截面和0.135m處橫向截面應力如圖3和圖4所示，從圖3中可以看出孔道口處拉應力最大為4.82MPa，該截面內沒有肋板承擔豎向荷載，孔道口處出現明顯的應力集中；而在0.135m處截面內，肋板的存在可以提高整體剛度，降低孔道周圍的應力峰值，使該截面的最大拉應力降至1.47MPa，同時在該截面右側兩拐角處出現應力較大情況，可設置倒角減少應力集中，在設計施工過程中需要注意。

圖3 距中心0.46m截面應力分布圖

圖4 距中心0.135m截面應力分布圖

為了能清楚地分析和觀察轉向塊細部情況，將鋼套筒和轉向塊兩者分離出來觀察，鋼筒應力云圖如圖5所示，在鋼筒最上方位置出現最大壓應力，鋼管套筒端部下方兩側出現最大拉應力6.708MPa，數值遠小于鋼材的屈服強度，表明結構具有足夠的安全性。

圖5 鋼套筒第一主應力圖

轉向塊孔道周圍的主應力圖如圖6所示。轉向塊預留孔道上部混凝土以受壓為主，最大拉應力則出現在轉向塊外側預應力孔道壁側下方，孔道口局部出現應力集中，孔道中部的拉應力為0.925MPa，孔道口附近的拉應力為4.79MPa，因此孔道口是防止混凝土開裂的重要部位。由于豎向分力的作用，結構產生了向上的彎曲變形，轉向塊有從被梁體底板拉脫的趨勢，在轉向塊底部也存在3.25MPa的拉應力。在轉向孔道周圍設置環向鋼筋，能夠控制混凝土裂縫寬度。

圖6 轉向塊第一主應力圖

3 下部轉向塊尺寸影響

本文通過改變轉向塊高度和縱向長度、肋板厚度和橫向尺寸、孔道半徑和轉角度數，建立不同的有限元模型，研究結構尺寸對局部受力情況的影響，提取孔道口周圍縱向各位置點截面上的最大主應力值，為該截面的最不利分析情況，得到了各對比情況下的通道孔區域豎向正應力的變化趨勢。

圖7 底塊厚度變化下應力趨勢圖

研究轉向塊高度和縱向長度的影響，將轉向塊的高度分別增加10cm、20cm，得到主拉應力在轉向塊的高度變化情況下的變化趨勢，如圖7；同時，將轉向塊的縱向長度分別增加20cm、40cm，進行應力分析，得到主拉應力在轉向塊的縱向長度變化情況下的變化趨勢，如圖8。從圖7可以看出：隨著轉向塊的高度增加，孔道口的應力集中情況有下降趨勢，但對于孔道中部的受力情況影響不大；從圖8可以看出：隨著轉向塊的縱向長度增加，孔道下側的拉應力呈現逐漸減小的趨勢，這也與孔道受力面積增大而孔道壁應力減小有一定聯系。

圖8 底塊長度變化下應力趨勢圖

研究肋板的尺寸對轉向塊受力的影響，本文將肋板的厚度分別增加10cm、20cm，通過應力分析，得到主拉應力在肋板厚度變化情況下的變化趨勢，如圖9；同時，將肋板的橫向寬度分別減少20cm、40cm，得到主拉應力在肋板橫向寬度變化情況下的變化趨勢，如圖10。從圖9可以看出：隨著肋板厚度的增加，預應力孔道下側的拉應力呈現逐漸減小的趨勢，但趨勢較不明顯。從圖10可以看出：肋板寬度的變化，對轉向塊的受力情況無明顯影響。

圖9 肋板厚度變化下應力趨勢圖

圖10 肋板橫向寬度變化下應力趨勢圖

研究轉向孔道對轉向塊受力的影響，由于N4對轉向塊的作用應力影響相對較小，本文修改N1—N3孔道半徑和孔道轉角度數建立對比模型，孔道半徑分別增加10mm、減少10mm，得到主拉應力在孔道半徑變化情況下的變化趨勢，如圖11；同時，鋼束孔道轉角分別增加1°、減少1°，得到主拉應力在孔道轉角變化情況下的變化趨勢，如圖12。從圖11可以看出：孔道半徑值的增加，可以明顯減少孔道口的應力峰值，但對孔道中部位置的應力未出現減小效果，而半徑的減小卻增大了應力集中情況，因此根據體系所需的鋼束數量，選用合適的孔道半徑對控制孔道周圍拉應力有積極影響。從圖12可以看出：孔道口應力受孔道轉角的影響較為敏感，孔道轉角增大1°，孔道口拉應力增大0.8MPa，這是由于轉角增大使得預應力束的豎向分力增大，且應力變化明顯，因此在滿足體外預應轉向功能的同時，設置合理的孔道轉角度數，可以減小孔道口的應力峰值。

圖11 孔道半徑變化下應力趨勢圖

圖12 孔道轉角變化下應力趨勢圖

4 結語

本文通過對預制箱梁節段轉向塊的多參數應力分析和對比，得出如下結論：

1）肋式轉向塊增大底塊截面，可以有效地減少底部拉應力集中，增大結構的承載能力，該型轉向塊縱向上中間應力較兩側小，受力危險區域在孔道口兩側下方位置，局部容易出現應力集中；

2）鋼套筒的最大拉應力為6.708MPa，遠未達到鋼材屈服強度，具有足夠的安全儲備；

3）文章研究轉向塊底塊和肋板尺寸、預應力孔道情況對局部的受力影響，得出肋板厚度和底塊縱向長度對孔道周圍受力影響較大，肋板寬度和轉向塊高度對提高轉向塊受力性能無明顯影響，選用合適的孔道半徑對控制孔道周圍應力有積極作用，同時在滿足轉向性能的要求下，設置合理的孔道轉角度數，可以減小孔道口的應力峰值。

責任編輯：劉艷萍

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