體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁中的轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì)和分析

近年來，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁建設(shè)中得到很大發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)形式具有經(jīng)濟(jì)、易施工等很多優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)是體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。由于轉(zhuǎn)向塊局部受力非常復(fù)雜，所以對(duì)轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究具有重要意義。

體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置常見有橫隔板式、肋式、塊式。

橫隔板式、肋式一般連接頂、底板，屬于承壓型轉(zhuǎn)向裝置，其受力特點(diǎn)是可以形成從轉(zhuǎn)向處到頂板或底板處的抵抗體外預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向力的壓力區(qū)（柱壓）。因其通常通過鋼筋和混凝土與腹板及頂、底板聯(lián)結(jié)，能夠承受較大荷載。相較于塊式轉(zhuǎn)向裝置，其體積較大，增加結(jié)構(gòu)自重，且施工模板也稍復(fù)雜。

塊式轉(zhuǎn)向裝置較為小巧，通常設(shè)置在梁頂部或底部，常與梁體固結(jié)一體的混凝土凸塊體。體外預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向塊處轉(zhuǎn)向，將對(duì)轉(zhuǎn)向塊產(chǎn)生豎向和水平向分拉力。為抵抗拉力，塊式轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)設(shè)置必要抗拉鋼筋，抗拉鋼筋常需穿過梁體在底板外錨固。相較于橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向裝置塊式體積小，對(duì)梁體自重增加可以忽略，且模板也容易制作。塊式轉(zhuǎn)向裝置缺點(diǎn)是不能承受較大轉(zhuǎn)向荷載。

1 轉(zhuǎn)向裝置一般構(gòu)造分析

總結(jié)大量的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)構(gòu)造要求：

（1）體外預(yù)應(yīng)力筋管道應(yīng)盡量靠近腹板布置，這樣可以減小底板與腹板處的偏心彎矩。管道離側(cè)邊緣距為8cm左右，離頂或底板凈距為4cm左右。管道間凈距應(yīng)不小于管道直徑，且不小于5cm。對(duì)受壓型轉(zhuǎn)向裝置受力筋可采用單層布置，對(duì)于受拉型轉(zhuǎn)向裝置，受力筋可采用單層或雙層布置。對(duì)于受拉型轉(zhuǎn)向裝置，內(nèi)層及外層箍筋的端部均應(yīng)焊接于錨栓上，形成閉口箍筋。箍筋直徑在12～16mm，縱向間距10～15cm。

（2）轉(zhuǎn)向裝置中設(shè)置雙層箍筋時(shí)，內(nèi)層箍筋包圍住全部體外預(yù)應(yīng)力筋管道，與管道的凈距不小于2.5cm。外層箍筋保護(hù)層凈厚度4～6cm，應(yīng)能包圍住內(nèi)層箍筋。內(nèi)、外層箍筋間距在豎直方向不小于5cm。

（3）轉(zhuǎn)向裝置的橫向設(shè)計(jì)尺寸需要考慮體外預(yù)應(yīng)力筋管道數(shù)量、外徑、橫向布置及保護(hù)層等因素;縱向設(shè)計(jì)尺寸需要考慮導(dǎo)管曲率半徑、箍筋及保護(hù)層等因素。

2 轉(zhuǎn)向裝置受力分析

轉(zhuǎn)向裝置所在位置一般與錨固端不在同一豎直高度，以便產(chǎn)生對(duì)梁體有利的豎向分力。體外預(yù)應(yīng)力筋張拉作用于轉(zhuǎn)向裝置上的力可分解水平分力和豎直分力（見圖2）。以轉(zhuǎn)向塊為例，不計(jì)體外預(yù)應(yīng)力筋與管道摩擦損失時(shí)，設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向塊處的張拉力F，則轉(zhuǎn)向點(diǎn)處產(chǎn)生豎向分力N=Fsinα，水平分力H=Fcosβ，α為體外預(yù)應(yīng)力筋的縱向起彎角度，β為體外預(yù)應(yīng)力筋所在的豎斜面與水平面的夾角。

在體外預(yù)應(yīng)力作用下，支柱承壓型轉(zhuǎn)向裝置受力可分解為：力筋套管豎直方向混凝土肋板支柱承受壓力;套管周圍箍筋承受豎向的拉拔分力;力筋套管下（或上）方沿剪裂面處混凝土、箍筋共同承受的水平向剪切力（見圖3）。其中肋板受壓支柱承受壓力，并把壓力傳遞給轉(zhuǎn)向裝置寬度范圍內(nèi)梁的頂（或底）板。另外，與肋板相交處的梁腹板也會(huì)提供剪切抗力。

在體外預(yù)應(yīng)力作用下，受拉型塊式轉(zhuǎn)向裝置受力可分解為：套管周圍箍筋承受豎向的拉拔分力;套管上（或下）層鋼筋產(chǎn)生的梁作用;力筋套管下（或上）方沿剪裂面處混凝土、箍筋共同承受的水平向剪切力（見圖4）。

體外預(yù)應(yīng)力筋主要是用于提高梁體豎向承載能力，豎向分力較水平分力大很多，除是曲線梁半徑非常小外，受拉型塊式轉(zhuǎn)向裝置多是箍筋被拉斷破壞，較少有剪切破壞。由于外層箍筋離預(yù)應(yīng)力管道較遠(yuǎn)，較內(nèi)層箍筋長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向塊破壞時(shí)拉拔力主要由內(nèi)層受拉箍筋承擔(dān)，外層箍筋承擔(dān)較少。但是，外層箍筋對(duì)后期屈服階段裂縫控制有一定作用。

3 轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)分析

結(jié)合部分現(xiàn)行公路規(guī)范條款，針對(duì)受壓型和受拉型轉(zhuǎn)向裝置受力特點(diǎn)，試給出體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置計(jì)算簡(jiǎn)單公式。

3.1承壓型轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

承壓型轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)包括：混凝土局部承壓計(jì)算、豎向整體承載力計(jì)算和水平向抗剪計(jì)算。

3.1.1混凝土局部承壓計(jì)算

彎曲套管與混凝土接觸面的局部承壓載力可按下式計(jì)算：

Nd≤βfcdAc ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：β——局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)，β= ? ? ? ? ;

Aa——局部承壓面積，取Aa=b×S，b為局部承壓面的計(jì)算寬度，可近似取套管直徑的3/4，S為局部承壓面的弧長(zhǎng)，取體外力筋的豎直起彎角度θ與彎曲半徑R的乘積;

Ab——局部承壓時(shí)的計(jì)算底面積，取Ab=l×a，l為計(jì)算面積的縱向長(zhǎng)度，取l=S+2b，轉(zhuǎn)向裝置的實(shí)際縱向長(zhǎng)度應(yīng)大于l，a為計(jì)算面積的橫向?qū)挾龋=3b;

Fcd——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.1.2豎向整體承載力計(jì)算

承壓型轉(zhuǎn)向裝置豎向抗力主要由豎向箍筋承受的拉拔力，轉(zhuǎn)向裝置與梁腹板相交處的混凝土抗剪力及期中水平鋼筋的抗剪力，豎向承載力可按下式計(jì)算：

Nd≤fsdAsv+ fshdAcc+φfsdAsh ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：fsd、Asv——轉(zhuǎn)向內(nèi)豎向鋼筋的截面面積及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

Acc——混凝土受剪面積;

Fshd——混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

Ash——抗剪鋼筋截面面積。

其它符號(hào)含意同前。

3.1.3水平向抗剪計(jì)算

當(dāng)轉(zhuǎn)向裝置為橫隔板時(shí)，由于橫隔板橫向尺寸較大，且兩端約束于兩梁或腹板之間，一般水平剪切力較小可不進(jìn)行抗剪計(jì)算;當(dāng)轉(zhuǎn)向裝置為肋板式時(shí)，肋板橫向尺寸較小，需計(jì)算水平向抗剪計(jì)算，計(jì)算方法可參見塊式轉(zhuǎn)向裝置抗剪計(jì)算。

3.2受拉型轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)

受拉型轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)主要計(jì)算豎向箍筋抗拉力，水平混凝土及箍筋抗剪力。

3.2.1豎向箍筋抗拉力計(jì)算

不考慮混凝土抗拉力，轉(zhuǎn)向塊只計(jì)算內(nèi)層箍筋承受的豎向力。外層箍筋只對(duì)控制裂縫起作用，不計(jì)外層箍筋抗拉作用。單根體外預(yù)應(yīng)力束內(nèi)層箍筋的面積可按下面給出的軸心受拉構(gòu)件計(jì)算。

Nd≤fsdAs ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Nd——最大容許張拉力，需考慮活荷載系數(shù);

Fsd、As——分別為內(nèi)層箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和截面面積。

3.2.2水平抗剪承載力計(jì)算

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向塊所受水平力較大且背向腹板時(shí)，應(yīng)進(jìn)行水平向抗剪承載力計(jì)算，可參照直接抗剪構(gòu)件計(jì)算。

Vd≤fvdAc +φfsdAk ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Vd——最大水平分力總和設(shè)計(jì)值，需考慮活荷載系數(shù);

Fvd、Ac——混凝土直接抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及受剪混凝土截面面積;

Ak——垂直于受剪面的箍筋面積;

Φ——鋼筋抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的折減系數(shù)，可取0.57。

4 算例

采用塊式轉(zhuǎn)向裝置，C40混凝土，HRB400鋼筋，fsk=400MPa，體外預(yù)應(yīng)力筋為鋼絞線，fsd=1860.0MPa。預(yù)應(yīng)力筋一：Aps=19.1cm2（近腹板側(cè)）;預(yù)應(yīng)力筋二：Aps=13.9cm2。

最大容許張拉力按0.65×fps×Aps計(jì)算，則：

預(yù)應(yīng)力筋一：0.65×1860.0MPa×19.1cm2=2309.2kN;

預(yù)應(yīng)力筋二：0.65×1860.0MPa×13.9cm2=1680.5kN。

預(yù)應(yīng)力筋一：水平角+2.53°，豎直角+7.22°，水平力101.9kN，豎直力290.2kN;

預(yù)應(yīng)力筋二：水平角+1.76°，豎直角0°，水平力51.6kN，豎直力0kN。

預(yù)應(yīng)力筋一、二合力：水平力153.5kN，豎直力290.2kN。

豎直分力較大，取豎直力290.2kN設(shè)計(jì)箍筋：

Nd≤fsd∑Aa

鋼筋截面

選用HRB400鋼筋，6φ14（2×6×1.539=18.47cm2），每根預(yù)應(yīng)力筋配置6根φ14環(huán)筋，6根φ14箍筋。

剪力驗(yàn)算：

Vd≤fvdAc +φfsdAk

Vd=1.7×153.5kN=261.0kN

FvdAc +φfsdAs=5.77MPa×45cm×39cm+0.57×400 MPa ×23cm2=1012.6kN +524.4kN=1537.0kN≥261.0kN 安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]單成林.體外配筋橋梁的轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)原理[J].中南公路工程，1997（03）：29-32.

[2]楊媛媛.體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)加固中設(shè)計(jì)研究分析[J].城市道橋與防洪，2016（10）：68-70+11.

[3]王彤.體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)理論研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[4]趙強(qiáng).體外預(yù)應(yīng)力法在梁式橋梁加固中的應(yīng)用研究[D].昆明理工大學(xué)，2005.