連續(xù)箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊力學(xué)性能仿真分析

羅桂軍 唐寄強 羅曜波 何威特 李滿意 姜天華 黃亞北

(1.中建五局土木工程有限公司 長沙 410004； 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430065)

當(dāng)前使用的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋絕大多數(shù)屬于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系，在實際運營過程中由于預(yù)應(yīng)力筋壓力損失過大，常出現(xiàn)跨中裂縫、撓度隨時間加大等病害，且難以維護(hù)加固[1]。相比而言，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有能夠有效降低截面尺寸、便于維護(hù)和更換預(yù)應(yīng)力索、減輕自重、二次張拉體外束主動控制跨中撓度等優(yōu)點，故在橋梁維修加固中應(yīng)用較多。

但體外預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土連接部分較少，體外預(yù)應(yīng)力鋼束的使用效率低，限制了其應(yīng)用范圍。在混合配束的預(yù)應(yīng)力梁中,當(dāng)體內(nèi)有黏結(jié)力筋的配筋率適當(dāng)時,極限荷載下可以顯著地改善梁裂縫的分布,使裂縫的分布分散、均勻,從而使受彎區(qū)域裂縫的總寬度增加,相應(yīng)的體外束的應(yīng)變增加,使體外束可以達(dá)到更高的極限應(yīng)力,體外預(yù)應(yīng)力梁的延性及極限強度也有所提高。在跨度較大時，所需體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋較多，勢必會導(dǎo)致箱梁截面過大，此時可適當(dāng)選用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補強[2]。將體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式結(jié)合起來形成體內(nèi)、體外混合配束的結(jié)構(gòu)形式能發(fā)揮二者優(yōu)勢，既能有效地降低預(yù)應(yīng)力束的增多給截面帶來的不利影響，又能克服單純體外預(yù)應(yīng)力束在極限狀態(tài)下存在延性較低而導(dǎo)致的潛在風(fēng)險。

轉(zhuǎn)向塊是調(diào)節(jié)體外預(yù)應(yīng)力橋梁中預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向的一種關(guān)鍵構(gòu)造，由于此構(gòu)造與預(yù)應(yīng)力筋連接部位較少，故應(yīng)力集中，受力十分復(fù)雜，直接影響到橋梁的安全和穩(wěn)定。因此，對體外預(yù)應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)向塊的力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，揭示其受力特點、應(yīng)力分布規(guī)律并采取相應(yīng)構(gòu)造措施是十分必要的[3]。本文擬以科特迪瓦阿比讓Banco灣主橋為工程背景,通過建立轉(zhuǎn)向塊節(jié)段實體有限元模型，仿真分析其力學(xué)性能，研究橫隔板式轉(zhuǎn)向塊設(shè)計方案。

1 工程概況

Banco灣主橋是科特迪瓦阿比讓跨越Banco瀉湖的一座高架橋，全長80 207.5 m，跨徑布置為54 m+7×90 m+68 m+40.5 m，其橋型布置見圖1。

圖1 Banco灣高架橋橋型布置圖(單位：cm)

橋梁上部為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，箱梁橋面總寬1 665 cm，箱梁整體旋轉(zhuǎn)使橋面形成2.5%的橫坡。箱梁中支點處梁高570 cm，跨中及邊支點處梁高280 cm。箱梁懸臂折線變厚過程為28-28-70 cm，懸臂長352 cm。梁高為2.80～5.70 m，主梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，主梁的預(yù)應(yīng)力體系為體內(nèi)、體外混合配束。橋墩為花瓶式空心薄壁墩,壁厚取值范圍為65～80 cm,橋墩基礎(chǔ)為套管式鉆孔灌注樁。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為B40 混凝土。

2 體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造形式

轉(zhuǎn)向塊一般可依據(jù)材料和構(gòu)造形式來進(jìn)行分類。根據(jù)材料可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)2種形式，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式在實際工程中最為常見。根據(jù)構(gòu)造形式，轉(zhuǎn)向塊可大致分為3類：①橫隔板式；②肋式；③塊式，轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造形式見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造形式

橫隔板式和肋式轉(zhuǎn)向塊均屬承壓型，其強度較高，且由于其結(jié)構(gòu)與頂、底板連接，可以充分利用共同連接強度，并且能夠共同抵抗預(yù)應(yīng)力筋的反作用力，因此具有較大的承載能力。缺點在于其空間體積較大，模板構(gòu)造較為復(fù)雜且增加了自重。

塊式轉(zhuǎn)向塊屬于受拉型，具有構(gòu)造簡單、自重輕的優(yōu)點。缺點是未與頂、底板充分連接，連接強度不夠，且在發(fā)生開裂后無約束作用，不能像橫隔板式和肋式轉(zhuǎn)向塊一樣形成受壓支柱共同抵抗破壞，因而其承載能力較小[4]。

當(dāng)體外索較多，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力較大時，還需要進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造形式，優(yōu)化轉(zhuǎn)向塊受力狀態(tài)。Banco灣主橋采用結(jié)構(gòu)下部局部加厚的橫隔板式轉(zhuǎn)向塊。該轉(zhuǎn)向塊高257.2 cm, 上部高度為76.3 cm的部分厚50 cm，下部高度為178.9 cm部分加厚至100 cm，加厚的高度覆蓋最下層轉(zhuǎn)向孔道，其構(gòu)造示意見圖3。

圖3 橫隔板式轉(zhuǎn)向塊(單位：cm)

3 體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊仿真分析

3.1 有限元模型建立

根據(jù)圣維南原理，取3.5 m×3長的連續(xù)梁段為研究對象，布置圖3所示轉(zhuǎn)向塊于中間梁段內(nèi)，利用通用有限元程序ANSYS建立數(shù)值模型，見圖4。

圖4 有限元實體模型

轉(zhuǎn)向塊節(jié)段混泥土采用8節(jié)點六面體單元Solid45單元模擬，共建立86 772個單元，130 253個節(jié)點；預(yù)應(yīng)力筋選用8節(jié)點六面體單元Solid185 單元模擬，共有節(jié)點4 693個，單元3 960個，每個節(jié)點具有3個自由度，單元具有超彈性、應(yīng)力剛化、蠕變大變形、大應(yīng)變能力的優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確地模擬預(yù)應(yīng)力筋與孔道的接觸處問題[5]。

在轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)中，由于預(yù)應(yīng)力孔道區(qū)域受力復(fù)雜，為保證計算精度，在網(wǎng)格劃分時對此區(qū)域的單元劃分得更精密[6]實體模型。為便于計算，模擬將梁段兩端視為固結(jié)狀態(tài)。網(wǎng)格劃分模型見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分模型

轉(zhuǎn)向塊孔道中預(yù)應(yīng)力筋和孔道接觸區(qū)域采用空間弧形的形式，此種接觸形式的特點在于沒有固定的切平面來處理，且預(yù)應(yīng)力鋼束屬于高彈模柔性材料，因此難以直接用幾何方法進(jìn)行描述求解。為計算方便，本文簡化為二維接觸問題進(jìn)行分析[7]。

預(yù)應(yīng)力鋼材采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa 的M15A高強低松弛鋼絞線。倒角半徑8 m，孔道半徑147 mm，根據(jù)應(yīng)力分解計算豎向分力荷載得孔道半壁面荷載為17.7 MPa。具體加載方式見圖6。

圖6 預(yù)應(yīng)力筋孔道加載方式

3.2 有限元模型分析

轉(zhuǎn)向塊在工作過程中主要承受體外預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用，并在豎向應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形。有限元軟件計算的變形結(jié)果見圖7。

圖7 豎向分力作用下變形圖(單位：m)

由圖7可見，在預(yù)應(yīng)力作用下，整個梁段均發(fā)生了向上的變形，其中最大變形值為3.7 mm，產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向塊處，最小值處于梁段為0，且整個變形趨勢為從轉(zhuǎn)向塊處向梁端處漸漸減小。

轉(zhuǎn)向塊在工作過程中主要承受體外預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用，該豎向荷載作用下的應(yīng)力云圖見圖8。

圖8 豎向分力作用下應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖8可見，在豎向分力作用下，轉(zhuǎn)向塊截面上緣壓應(yīng)力最大為1.82 MPa，下緣拉應(yīng)力最大為2.15 MPa，整個梁段主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值均不高于1.9 MPa。

在預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用下，轉(zhuǎn)向塊預(yù)留孔附近產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力，其豎向應(yīng)力和第一主應(yīng)力云圖見圖9、圖10。

圖9 預(yù)應(yīng)力筋孔道豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 預(yù)應(yīng)力筋孔道第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖9、圖10可見，在預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用下，轉(zhuǎn)向塊預(yù)留孔下部主要受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在孔道下部，整個梁段的豎向拉應(yīng)力為0.25～1.51 MPa。在預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用下，孔道上部主要受壓，最大壓應(yīng)力大小為1.37 MPa，剛好產(chǎn)生在孔道正上緣。

根據(jù)以上分析可知，轉(zhuǎn)向塊與底板相交的地方應(yīng)力分布最為集中。在預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用下，孔道上部受壓，且最大值出現(xiàn)在孔道正上緣；孔道下部受拉，但拉應(yīng)力較小；該橫隔板式轉(zhuǎn)向塊的受力和變形均能夠滿足要求，轉(zhuǎn)向塊設(shè)計合理，安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1) 在縱向上，轉(zhuǎn)向塊主要承受預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用，作用后整個結(jié)構(gòu)均發(fā)生了向上的變形，其中轉(zhuǎn)向塊處的變形值最大，且從轉(zhuǎn)向塊處向梁端變形值呈逐漸減小的趨勢。整個梁段主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力較小且分布較為均勻。

2) 在預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力作用下，孔道的應(yīng)力分布呈現(xiàn)為上部受壓、下部受拉，其中孔道上緣處的壓應(yīng)力值最大，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在孔道下緣。

3) 局部加厚轉(zhuǎn)向塊能在減少材料消耗的情況下，滿足大橋可靠、安全和穩(wěn)定的設(shè)計需求。上部50 cm、下部100 cm厚的轉(zhuǎn)向塊橫隔板受力性能優(yōu)異，推薦在該橋中使用。